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数据结构 1 线性表详解 链表、 栈 、 队列 结合JAVA 详解

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## 前言 其实在学习数据结构之前,我也是从来都没了解过这门课,但是随着工作的慢慢深入,之前学习的东西实在是不够用,并且太皮毛了。太浅,只是懂得一些浅层的,我知道这个东西怎么用,但是要优化、或者是解析,就不知道该咋弄了。比如JAVA 最有名的几个容器: - List - Set - MAP - Queue 这些都是涉及到有关数据结构的,以及一些简单的算法。排序、冒泡排序、二分法这些,都要涉及到时间复杂度、以及数据结构的知识,这门课,还是很重要的。 ## 为了啥 其实数据结构,结构这个词,就是将我们原本的一些数据,按照某种结构放到一起,为了更加便利以及后期对于这些数据的利用。不能胡来,乱放一遭,那样整理起来很麻烦,并且不方便以后的二次利用。 平时使用的数据,要么是基本类型、要么就是引用类型、数组、这些就是最基本的。加入需要存一个比如层级结构的岗位,那普通的数组就没有办法了。 ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583466904155.png_imagess) 这里我们所涉及到的内容其实就是 数据的 `结构` ## 结构分类 数据结构的分类,到底有哪些呢,如何去理解他们,就是我们本节课的内容。这里我们将接触到线性表、树状图、图存储结构等 ### 线性表 线性表其实和数组有些类似。我们都知道,所有数据的类型都可以通过 最基本的 `数组` `指针(引用类型)` 这两种最基本的类型构造。 线性表可以细分为: - 顺序表 - 链表 - 栈 - 队列 本节课就围绕线性表,将这几种类型依次解释清楚 ## 顺序表 顺序表最常见的,当然就是数组(不等同数组),满足 `一对一` 何谓一对一呢,就是其里面存储的元素,他们的类型,都是存在相同类型的关系,并且紧挨着连接起来的。例如: ```java String [] array = new String[] {"a","b","c"}; ``` 类似于这种,除掉首元素和尾元素,每个元素前后都有相邻的元素。这样的我们就叫做顺序表 ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583475589373.png_imagess) JAVA 里面我们知道最基本的List 接口,下面有一个 `ArrayList` ArrayList 底层就是以一个数组,其就是一个顺序表。 ### 基本操作 我这里全部以JAVA 为例。 ```java public ArrayList(int initialCapacity) { if (initialCapacity > 0) { this.elementData = new Object[initialCapacity]; } else if (initialCapacity == 0) { this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA; } else { throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: "+ initialCapacity); } } ``` 通过这个构造函数,我们可以发现,传入一个指定的大小数,大于0,则指定基本数组的大小为传入大小。 虽然这个数组是支持自动扩容的,我们还是研究一下 ### add() 增加元素到尾部 ```java public boolean add(E e) { ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! elementData[size++] = e; return true; } ``` `ensureCapacityInternal`是对数组的监测,若大小不足以容纳,则扩容的机制 这里的增加元素其实很简单,就将元素放到size ,也就是容器当中元素数的位置,首次放入元素的时候,size 初始化就是0 而后自增,很简单 ### add() 插入元素 ```java public void add(int index, E element) { rangeCheckForAdd(index); ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!! System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1, size - index); elementData[index] = element; size++; } ``` `rangeCheckForAdd` 检查插入位置有没有超过数组大小。则直接抛出异常 扩容后,将插入点后面的元素往后移动一个位置,通过`System.arraycopy`复制方式实现 ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583478124630.png_imagess) ### 查找指定下标 get() ```java public E get(int index) { rangeCheck(index); return elementData(index); } ``` 这个就不细说了,太简单了。 ### remove() 移除元素 ``` public E remove(int index) { rangeCheck(index); modCount++; E oldValue = elementData(index); int numMoved = size - index - 1; if (numMoved > 0) System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved); elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work return oldValue; } ``` 这个和上面指定位置插入一个元素刚好相反,把指定位置的元素移除掉后,后面的元素往前移动一位,而后将最后元素的位置进行清理。 ### 总结 顺序表最大的特点是:查询快,因为是数组,直接下标出。插入和移除就比较慢了。因为要移动、复制数组,很麻烦 ## 链表 在上面我们已经说过了,任何的数据类型都可以通过最基本的数组和指针构造。链表也不例外,相比于数组,数组则是定长的,不管存储的满否,都申请了一定大小的内存空间,而链表则不是,链表的空间是随用随申请,数据的位置相比于数组,其实不连续的,一般来说,需要在元素上指定下一个元素的指针,来达成链接关系。 ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583476164210.png_imagess) 每个元素上都有一块位置用于指向下一个元素(指针) 这里我画的不连续也就是为了表示元素的不连续性 ```java private static class Node { E item; Node next; Node prev; Node(Node prev, E element, Node next) { this.item = element; this.next = next; this.prev = prev; } } ``` 链表在JAVA 当中最具代表性的就是 LinkedList(双向链表),就是每个元素会带有它的上一个节点和下一个节点的指针,我们图上画出来的是单向链表。 ### add(E e) ```java void linkLast(E e) { final Node l = last; final Node newNode = new Node<>(l, e, null); last = newNode; if (l == null) first = newNode; else l.next = newNode; size++; modCount++; } ``` 新下挂一个节点的时候,将最后一个节点(null)保存到 l 下,然后构造出一个新节点,将本节点作为最后一个最后一个节点。 ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583480182481.png_imagess) ### add(int Index,E e) ```java void linkBefore(E e, Node succ) { // assert succ != null; final Node pred = succ.prev; final Node newNode = new Node<>(pred, e, succ); succ.prev = newNode; if (pred == null) first = newNode; else pred.next = newNode; size++; modCount++; } ``` 这里两个参数,E 表示将要插入的元素, ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583481243811.png_imagess) 两边链表断开,new 一个新的节点,连接即可。 ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583481330801.png_imagess) ### get(i) 查找 ```java Node node(int index) { // assert isElementIndex(index); if (index < (size >> 1)) { Node x = first; for (int i = 0; i < index; i++) x = x.next; return x; } else { Node x = last; for (int i = size - 1; i > index; i--) x = x.prev; return x; } } ``` 链表的查找指定下标就比较费时了。需要一个个遍历。其实是很麻烦的。 ### remove(i) ```java E unlink(Node x) { // assert x != null; final E element = x.item; final Node next = x.next; final Node prev = x.prev; if (prev == null) { first = next; } else { prev.next = next; x.prev = null; } if (next == null) { last = prev; } else { next.prev = prev; x.next = null; } x.item = null; size--; modCount++; return element; } ``` 移除一个指定位置的节点,这个其实和增加一个节点时候其实是类似的。将上下节点对于这个节点的引用进行修改即可。 ### 小结 链表还是比较适合于快速增加、删除、不适合于索引。因为需要全盘遍历 ## 栈 Stack 堆还是按照数组为基础实现的,只不过它是一个半开的数组,怎么理解这个半开的数组呢,如图,就好像一个瓶子一样,往里面丢元素,`先进后出原则` ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583483829545.png_imagess) ### 入栈 push 将一个元素加入的栈里面,此时的元素是最外层的一个元素,此时执行出栈命令,则这个元素会被删除并返回 ### 出栈 pop 删除此堆栈顶部的对象,并将该对象作为此函数的值返回。 ### 查看 peek 通过 peek 查看当前栈顶的元素,只是查看,并不执行删除 ## 队列 Queue 队列遵循`先进先出`原则 队列还提供额外的插入,提取和检查操作。 这些方法中的每一种都有两种形式:如果操作失败,则抛出一个异常,另一种返回一个特殊值( null或false ,具体取决于操作)。 ![image.png](https://file.chaobei.xyz/blogs/image_1583485650139.png_imagess) 这里使用 `ArrayBlockingQueue` 以数组实现的阻塞队列 ```java BlockingQueue strings = new ArrayBlockingQueue(2); ``` 一个有限的blocking queue由数组支持。 这个队列排列元素FIFO(先进先出)。 队列的头部是队列中最长的元素。 队列的尾部是队列中最短时间的元素。 新元素插入队列的尾部,队列检索操作获取队列头部的元素。 这是一个经典的“有界缓冲区”,其中固定大小的数组保存由生产者插入的元素并由消费者提取。 创建后,容量无法更改 ### 入队 add()/offer()/put() add 和 offer 都可以将元素加入到队列中。但是add 在超过队列容量的时候会抛出异常,offer 则会返回false 而put 操作则会在队列没有空间的时候阻塞,直到队列有空间执行 ### 出队 poll()/take() - poll检索并删除此队列的头,如果此队列为空,则返回 null 。 - take 在没有元素的时候则会阻塞 ## 小结 通过本小结,我们已经学习到了最基本的线性表,而线性表又包含哪些呢 - 顺序表 ArrayList - 链表 LinkedList - 栈 Stack - 队列 Queue 下一节我们将继续学习有关于字符串、数组、广义表等内容 ## 参考: http://c.biancheng.net/view/3352.html

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