Java 数据结构

Java 数据结构

java 的数据结构:

• 数组
• 链表
• 栈和队列
• 二叉树
• 堆和堆栈
• 散列表
• 红黑树

1.数组

数组是一种连续存储线性结构，元素类型相同，大小相等，数组是多维的，通过使用整型索引值来访问他们的元素，数组尺寸不能改变

数组的优点：

• 存取速度快

数组的缺点：

• 事先必须知道数组的长度
• 插入删除元素很慢
• 空间通常有限的
• 需要大块连续的内存块
• 插入删除元素的效率很低

2.链表

n个节点离散分配，彼此通过指针相连，每个节点只有一个前驱节点，每个节点只有一个后续节点，首节点没有前驱节点，尾节点没有后续节点。

确定一个链表我们只需要头指针就可以吧整个链表都能推出来。

 链表的优点：

• 空间没有限制
• 插入删除元素很快

链表优点：

• 存取速度很慢

链表又分了三类：

• 　单向链表：一个节点指向下一个节点
•     双向链表：一个节点有两个指针域
•    循环链表：能通过任何一个节点找到其他所有的节点，将两行（双向/ 单向）链表的最后一个节点指向第一个节点从而实现循环。

操作链表要时刻记住：节点中指针域指向的就是另一个节点！

Java实现链表

首先，我们定义一个类作为节点，节点需要有两种属性：

• 数据域
• 指针域

public class Node {
    //数据域
    public int data;
    //指针域，指向下一个节点
    public Node next;

    public Node() {
    }
    public Node(int data) {
        this.data = data;
    }
    public Node(int data, Node next) {
        this.data = data;
        this.next = next;
    }
}

如上，一个链表节点对象就创建完成了，但理解链表本身并不难，但做相关的操作却并非易事，其算法包括且不限于：

• 插入节点
• 遍历
• 查找
• 清空
• 销毁
• 求长度
• 排序
• 删除节点
• 去重

创建链表&增加节点

创建头节点

Node head = new Node(value);

然后找到尾节点进行插入

/**
 * 向链表添加数据
 * @param value 要添加的数据
 * @param head 头节点
 */
public static void addData(int value, Node head) {
    //初始化要加入的节点
    Node newNode = new Node(value);
    //临时节点
    Node temp = head;
    // 找到尾节点
    while (temp.next != null) {
        temp = temp.next;
    }
    // 已经包括了头节点.next为null的情况了～
    temp.next = newNode;
}

遍历链表

上面我们已经编写了增加方法，现在遍历一下，从首节点开始，不断往后面找，直到后面的节点没有数据

/**
 * 遍历链表
 * @param head 头节点
 */
public static void traverse(Node head) {
    //临时节点，从首节点开始
    Node temp = head.next;

    while (temp != null) {
        System.out.println("链表数据：" + temp.data);
        //继续下一个
        temp = temp.next;
    }
}

其他算法略

3.栈和队列

参考什么是堆、栈、堆栈、队列

栈

我们将栈可以看成一个放光盘的箱子，箱口略大与光盘。然后：

• 往箱子里面放光盘叫做入栈
• 往箱子里面取光盘叫做出栈
• 箱子的底部叫做栈底
• 箱子的顶部叫做栈顶

说到栈的特性，有一句经典的言语来概括：先进后出，后进先出。

Java实现栈

• 使用数组实现的叫做静态栈
• 使用链表实现的叫做动态栈

沿着上一章的链表对象Node，创建一个栈对象（栈顶，栈底）：

public class Stack {
    // 栈顶
    public Node stackTop;
    // 栈底
    public Node stackBottom;

    public Stack(Node stackTop, Node stackBottom) {
        this.stackTop = stackTop;
        this.stackBottom = stackBottom;
    }

    public Stack() {
    }

}

进栈操作

将原本栈顶指向的节点交由新节点来指向，栈顶指向新加入的节点。

/**
 * 进栈
 * @param stack 栈
 * @param value 要进栈的元素
 */
public static void pushStack(Stack stack, int value) {

    // 封装数据成节点
    Node newNode = new Node(value);

    // 栈顶本来指向的节点交由新节点来指向
    newNode.next = stack.stackTop;

    // 栈顶指针指向新节点
    stack.stackTop = newNode;
}

遍历栈

只要栈顶元素的指针不指向栈底，那么就一直输出遍历结果

/**
 * 遍历栈
 * @param stack
 */
public static void traverse(Stack stack) {
    Node stackTop = stack.stackTop;
    //栈顶元素的指针不指向栈底，那么就一直输出遍历结果
    while (stackTop != stack.stackBottom) {
        System.out.println("栈数据：" + stackTop.data);
        stackTop = stackTop.next;
    }

}

出栈操作

在出栈之前看看该栈是否为空，不为空才出栈

将栈顶的元素的指针（指向下一个节点）赋值给栈顶指针（完成出栈）

/**
 * 出栈(将栈顶的指针指向下一个节点)
 * @param stack
 */
public static void popStack(Stack stack) {
    // 栈不为空才能出栈
    if (stack.stackTop != stack.stackBottom) {
        //栈顶元素
        Node top = stack.stackTop;
        // 栈顶指针指向下一个节点
        stack.stackTop = top.next;
        System.out.println("栈数据：" + top.data);
    }
}

队列

队列非常好理解，我们将队列可以看成我们平常排队打饭。

• 有新的人加入打饭了    -->入队
• 队头的人打完饭了       -->出队

相对于栈而言，队列的特性是： 先进先出，后进后出。

•  使用数组实现叫做静态队列
• 使用链表实现叫做动态队列

这次我就使用数组来实现静态队列：

Java实现队列

public class Queue<E> {
    private Object[] data=null;
    private int maxSize; //队列容量
    private int front;  //队列头，允许删除
    private int rear;   //队列尾，允许插入

    //构造函数
    public Queue(){
        this(5);
    }
    
    public Queue(int initialSize){
        if(initialSize >=0){
            this.maxSize = initialSize;
            data = new Object[initialSize];
            front = rear =0;
        }else{
            throw new RuntimeException("初始化大小不能小于0：" + initialSize);
        }
    }
    
    //判空
    public boolean empty(){
        return rear==front?true:false;
    }
    
    //入队
    public boolean add(E e){
        if(rear== maxSize){
            throw new RuntimeException("队列已满，无法插入新的元素！");
        }else{
            data[rear++]=e;
            return true;
        }
    }

    //出队
    public E poll(){
        if(empty()){
            throw new RuntimeException("空队列异常！");
        }else{
            E value = (E) data[front];  //保留队列的front端的元素的值
            data[front++] = null;     //释放队列的front端的元素                
            return value;
        }            
    }
    
    //队列长度
    public int length(){
        return rear-front;
    }

    /**
     * 遍历队列
     * @param queue
     *
     */
    public static void traverseQueue(Queue queue) {
        // front的位置
        int i = queue.front;
        while (i != queue.rear) {
            System.out.println("队列值：" + queue.data[i]);
            //移动front
            i = (i + 1) % queue.data.length;
        }
    }

}

其他队列算法，循环队列，链表结构的队列实现略。。。

4.二叉树

树是一种非线性的数据结构，相对于线性的数据结构（链表、数组）而言，树的平均运行时间更短（往往与树相关的排序时间复杂度都不会高），和现实的树相比，编程的世界中的树一般是“倒”过来看，这样容易我们分析。

现实中的树有很多很多个分支的，分支下又有很多很多个分支，如果在程序中实现这个非常麻烦，因为本来就是非线性的，而我们的计算机的内存是线性储存的，太复杂的话无法设计出来。

因此，就有了简单又经常用的->二叉树，顾名思义，就是每个分支最多只有两个的树，上图就是二叉树。

• 一棵树至少会有一个节点(根节点)
• 树由节点组成,每个节点的数据结构包括一个数据和两个分叉

               

 a空二叉树, b只有一个根结点, c只有左子树, d只有右子树, e完全二叉树

Java实现二叉树

首先，使用Java类定义节点

public class TreeNode {
    // 数据
    private int value;
    // 左节点
    private TreeNode leftNode;
    // 右节点
    private TreeNode rightNode;

    public TreeNode(int value) {
        this.value = value;
    }
    // TODO getter&setter略...
}

我们的目标是实现如下图的树

   

 第一步：创建5个节点

//根节点-->10
TreeNode treeNode1 = new TreeNode(10);
//左-->9
TreeNode treeNode2 = new TreeNode(9);
//右-->20
TreeNode treeNode3 = new TreeNode(20);
//20的左-->15
TreeNode treeNode4 = new TreeNode(15);
//20的右-->35
TreeNode treeNode5 = new TreeNode(35);       

它们目前的状态分散的，需要把这5个节点连接起来

//根节点的左右节点
treeNode1.setLefNode(treeNode2);
treeNode1.setRightNode(treeNode3);

//20节点的左右节点
treeNode3.setLeftNode(treeNode4);
treeNode3.setRightNode(treeNode5);

遍历二叉树

 二叉树遍历有三种方式

• 中序遍历：先访问根节点，然后访问左节点，最后访问右节点（根->左->右）
• 先序遍历：先访问左节点，然后访问根节点，最后访问右节点（左->根->右）
• 后序遍历：先访问左节点，然后访问右节点，最后访问根节点（左->右->根）

以上面的二叉树为例：

• 如果是中序遍历：10->9->20->15->35
• 如果是先序遍历：9->10->15->20->35
  • 解释：访问完10节点过后，去找的是20节点，但20节点还有子节点，因此先访问的是20的左节点15节点。由于15节点没有子节点，所以就返回20节点，访问20节点，最后访问35节点
• 如果是后序遍历：9->15->35->20->10
  • 解释:先访问9节点，随后应该访问的是20节点，但20下还有子节点，因此先访问的是20的左节点15节点。由于15节点没有子节点了。所以就去访问35节点，由于35节点也没有子节点了，所以返回20节点，最终返回10节点

  一句话总结：中序（根左右），先序（左根右），后序（左右根）。如果访问有子节点，先处理子节点的，随后返回。

• 每个节点的遍历如果访问有子节点的节点，先处理子节点的（逻辑是一样的）
• 因此遍历的方法是递归
• 递归的出口就是：当没有子节点了，结束遍历

因此，我们可以写出这样的中序遍历代码：

/**
 * 中序遍历
 * @param rootTreeNode  根节点
 */
public static void inTraverseBTree(TreeNode rootTreeNode) {

    if (rootTreeNode != null) {
        //访问根节点
        System.out.println(rootTreeNode.getValue());
        //访问左节点
        inTraverseBTree(rootTreeNode.getLeftNode());
        //访问右节点
        inTraverseBTree(rootTreeNode.getRightNode());
    }
}

先序遍历和后序遍历略。

练习：查找树深度，查找最大值，查找树节点数量

这些算法都会用到了递归，读者朋友练习这些算法的时候需要熟练掌握递归，递归在非线性的数据结构中是用的非常多。

树的应用非常广泛，此篇也只是非常简单地说明了树的数据结构。

5.堆和堆栈

堆内存用来存放由new创建的对象和数组。

在堆中分配的内存，由Java虚拟机的自动垃圾回收器来管理。

‘堆栈’就是‘栈’ ，称呼不同而已

栈的优势是：存取速度比要快，仅次于直接位于CPU中的寄存器。但缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。另外，栈数据可以共享。

堆的优势是：可以动态地分配内存大小，生存期也不必事先告诉编译器，Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是，由于要在运行时动态分配内存，存取的速度较慢。

6.散列表

无论是Set还是Map，我们会发现都会有对应的->HashSet,HashMap

首先我们也先得回顾一下数据和链表:

• 链表和数组都可以按照人们的意愿来排列元素的次序,他们可以说是有序的(存储的顺序和取出的顺序是一致的)
• 这会带来缺点：想要获取某个元素，就要访问所有的元素，直到找到为止，会消耗很多时间。

所以我们需要另外的存储结构：不在意元素的顺序，能快速查找元素。其中就有一种常见方式：散列表

散列表工作原理

散列表为每个对象计算出一个整数，称为散列码。根据这些计算出来的整数（散列码）保存在对应的位置上！即，散列码就是索引

在Java中，散列表用的是链表数组实现的，每个列表称之为桶。

7.红黑树

 是一种平衡二叉树，TreeSet、TreeMap底层都是红黑树来实现的。

二叉查找树也是有个例（最坏）的情况（线性）：

上面符合二叉树的特性，但是它是线性的，完全没树的用处，树是要“均衡”才能将它的优点展示出来的，比如下面这种：

 因此，就有了平衡树的这么一个概念~红黑树就是一种平衡树，它可以保证二叉树基本符合均衡的金字塔结构。

上图就是一个红黑树，红黑树就字面上的意思，有红色的节点，有黑色的节点。

• 性质1：节点红色和黑色。
• 性质2：根节点是黑色。
• 性质3：每个叶节点（NIL节点，空节点）是黑色的
• 性子4：每个红色节点的两个子节点都是黑色。（从每个叶子到根的所有路径上不能有两个连续的红色节点）
• 性质5：从任一节点到其每个叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点，

完结

有兴趣的朋友可自行研究。

最后:请留下您的赞!阿里嘎多.