個人資料結構與算法學習總結-隊列、連結清單

隊列、連結清單

本總結主要是以“尚矽谷Java算法教程”的學習教程為主，加上一些個人的了解

目錄

• 隊列、連結清單
• • 隊列
  • 環形隊列
  • 連結清單
  • • 單連結清單
    • 雙向連結清單
    • 單向環形連結清單（實作約瑟夫環）

隊列

1. 隊列介紹

   隊列是個有序清單，可以用數組和連結清單表示

   遵循先入先出原則

   示意圖如下：

   

2. 數組模拟隊列

   實作功能：出隊列、顯示隊列、檢視隊列頭元素

3. 代碼實作：

package datastructure.queue;

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //測試一把
        //建立一個隊列
        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
        char key = ' '; //接收使用者輸入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
        boolean loop = true;
        //輸出一個菜單
        while(loop) {
            System.out.println("s(show): 顯示隊列");
            System.out.println("e(exit): 退出程式");
            System.out.println("a(add): 添加資料到隊列");
            System.out.println("g(get): 從隊列取出資料");
            System.out.println("h(head): 檢視隊列頭的資料");
            key = scanner.next().charAt(0);//接收一個字元
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.show();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("輸出一個數");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.add(value);
                    break;
                case 'g': //取出資料
                    try {
                        int res = queue.get();
                        System.out.printf("取出的資料是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h': //檢視隊列頭的資料
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("隊列頭的資料是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e': //退出
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }

        System.out.println("程式退出~~");
    }
}

// 使用數組模拟隊列-編寫一個ArrayQueue類
class ArrayQueue {
    private int maxSize; // 表示數組的最大容量
    private int front; // 隊列頭
    private int rear; // 隊列尾
    private int[] arr; // 該資料用于存放資料, 模拟隊列

    // 建立隊列的構造器
    public ArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        front = -1;
        rear = -1;
        arr = new int[maxSize];
    }

    // 判斷隊列是否滿
    public boolean isFull() {
        return rear == maxSize - 1;
    }

    // 判斷隊列是否為空
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    //增加元素
    public void add(int n) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("隊列已滿，無法再加入");
            return;
        }
        rear += 1;
        arr[rear] = n;
    }

    //擷取隊列元素，出隊列
    public int get() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("隊列已空，無法再出列");
        }
        front += 1;
        return arr[front];
    }

    //顯示隊列所有的元素，不出隊列
    public void show() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("隊列空的，沒有資料~~");
            return;
        }

        for(int i =front+1;i<=rear;i++){
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
        }
    }

    // 顯示隊列的頭資料， 注意不是取出資料
    public int headQueue() {
        // 判斷
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("隊列空的，沒有資料~~");
        }
        return arr[front + 1];
    }
}

           

環形隊列

充分利用數組，實作環形隊列（取模）

代碼實作：

package datastructure.queue;

import java.util.Scanner;

public class circleQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {

        //測試一把
        System.out.println("測試數組模拟環形隊列的案例~~~");

        // 建立一個環形隊列
        CircleArray queue = new CircleArray(4); //說明設定4, 其隊列的有效資料最大是3
        char key = ' '; // 接收使用者輸入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
        boolean loop = true;
        // 輸出一個菜單
        while (loop) {
            System.out.println("s(show): 顯示隊列");
            System.out.println("e(exit): 退出程式");
            System.out.println("a(add): 添加資料到隊列");
            System.out.println("g(get): 從隊列取出資料");
            System.out.println("h(head): 檢視隊列頭的資料");
            key = scanner.next().charAt(0);// 接收一個字元
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.show();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("輸出一個數");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.add(value);
                    break;
                case 'g': // 取出資料
                    try {
                        int res = queue.get();
                        System.out.printf("取出的資料是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h': // 檢視隊列頭的資料
                    try {
                        int res = queue.head();
                        System.out.printf("隊列頭的資料是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e': // 退出
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程式退出~~");
    }

}

class CircleArray {
    private int maxSize; // 表示數組的最大容量
    private int front;
    private int rear; // 隊列尾
    private int[] arr; // 該資料用于存放資料, 模拟隊列

    public CircleArray(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        front = 0;
        rear = 0;
        arr = new int[maxSize];
    }

    // 判斷隊列是否滿
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    // 判斷隊列是否為空
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }


    // 添加資料到隊列
    public void add(int n) {
        // 判斷隊列是否滿
        if (isFull()) {
            System.out.println("隊列滿，不能加入資料~");
            return;
        }
        arr[rear] = n;
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    // 擷取隊列的資料, 出隊列
    public int get() {
        // 判斷隊列是否空
        if (isEmpty()) {
            // 通過抛出異常
            throw new RuntimeException("隊列空，不能取資料");
        }
        int value = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    // 顯示隊列的所有資料
    public void show() {
        // 周遊
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("隊列空的，沒有資料~~");
            return;
        }
        for (int i = front; i < front + (rear + maxSize - front) % maxSize; i++)//(rear+maxSize-front)%maxSize得到的是隊列的長度
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
    }

    // 顯示隊列的頭資料， 注意不是取出資料
    public int head() {
        // 判斷
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("隊列空的，沒有資料~~");
        }
        return arr[front];
    }
}


           

連結清單

連結清單是以節點的方式來存儲,是鍊式存儲。

每個節點包含 data 域， next 域：指向下一個節點。

連結清單的各個節點不一定是連續存儲。

連結清單分帶頭節點的連結清單和沒有頭節點的連結清單，根據實際的需求來确定。

單連結清單

結構如下

代碼實作案例

package datastructure.linkedlist;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Stack;

public class SingleLinkedListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //進行測試
        //先建立節點
        HeroNode hero1 = new HeroNode(1, "宋江", "及時雨");
        HeroNode hero2 = new HeroNode(2, "盧俊義", "玉麒麟");
        HeroNode hero3 = new HeroNode(3, "吳用", "智多星");
        HeroNode hero4 = new HeroNode(4, "林沖", "豹子頭");

        //建立要給連結清單
        SingleLinkedList singleLinkedList = new SingleLinkedList();


        //加入
        singleLinkedList.add(hero1);
        singleLinkedList.add(hero2);
        singleLinkedList.add(hero3);
        singleLinkedList.add(hero4);
        System.out.println("原來連結清單的情況~~");
        singleLinkedList.list();

        //反轉
//        System.out.println("反轉後");
//        reversetList2(singleLinkedList.getHead());
//        singleLinkedList.list();
//檢視倒數元素
        findLastIndexNode(singleLinkedList.getHead(), 2);
    }

    //将單連結清單反轉
    public static void reversetList(HeroNode head) {

        //如果目前連結清單為空，或者隻有一個節點，無需反轉，直接傳回
        if (head.next == null || head.next.next == null) {
            return;
        }

        HeroNode temp = head.next;
        HeroNode newHead = new HeroNode(0, "", "");
        HeroNode next = null;
        while (temp != null) {
            next = temp.next;
            temp.next = newHead.next;
            newHead.next = temp;
            temp = next;
        }
        head.next = newHead.next;
    }

    //反轉方法2
    //可以利用棧這個資料結構，将各個節點壓入到棧中，然後利用棧的先進後出的特點，就實作了逆序列印的效果
    public static void reversetList2(HeroNode head) {
        if (head.next == null) {
            return;//空連結清單，不能列印
        }
        Stack<HeroNode> stack = new Stack<>();
        HeroNode temp = head.next;
        while (temp != null) {
            stack.push(temp);
            temp = temp.next;
        }
        while (stack.size() > 0) {
            System.out.println(stack.pop());
        }
    }

    //查找單連結清單中的倒數第k個結點 【新浪面試題】
    //思路
    //使用快慢指針
    public static void findLastIndexNode(HeroNode head, int k) {
        //判斷如果連結清單為空，傳回null
        if (head.next == null) {
            return;//沒有找到
        }
        HeroNode fast = head;
        HeroNode slow = head;
        int index = 0;
        while (fast.next != null) {
            index += 1;
            fast = fast.next;
            if (index >= k) {
                slow = slow.next;
            }
        }
        if (index<k) {
            System.out.println("連結清單長度小于k，查詢不到");
        } else {
            System.out.println("倒數" + k + "元素為" + slow);
        }

    }
}

//定義SingleLinkedList 管理我們的英雄

class SingleLinkedList {

    //先初始化一個頭節點, 頭節點不要動, 不存放具體的資料
    private HeroNode head = new HeroNode(0, "", "");

    //傳回頭節點
    public HeroNode getHead() {
        return head;
    }

    //添加節點到單向連結清單
    //思路，當不考慮編号順序時
    //1. 找到目前連結清單的最後節點
    //2. 将最後這個節點的next 指向 新的節點
    public void add(HeroNode heroNode) {
        //因為head節點不能動，是以我們需要一個輔助周遊 temp
        HeroNode temp = head;
        //周遊連結清單，找到最後
        while (temp.next != null) {
            temp = temp.next;
        }
        temp.next = heroNode;
    }

    //第二種方式在添加英雄時，根據排名将英雄插入到指定位置
    //(如果有這個排名，則添加失敗，并給出提示)
    public void addByOrder(HeroNode heroNode) {
        //因為頭節點不能動，是以我們仍然通過一個輔助指針(變量)來幫助找到添加的位置
        //因為單連結清單，因為我們找的temp 是位于 添加位置的前一個節點，否則插入不了
        HeroNode temp = head;
        boolean flag = false; // flag标志添加的編号是否存在，預設為false
        while (temp.next != null) {
            if (temp.next.no > heroNode.no) {
                break; //位置找到，就在temp的後面插入
            } else if (temp.next.no == heroNode.no) {
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        if (flag) {
            //不能添加，說明編号存在
            System.out.printf("準備插入的英雄的編号 %d 已經存在了, 不能加入\n", heroNode.no);
        } else {

            heroNode.next = temp.next;
            temp.next = heroNode;

            temp.next = heroNode;
        }
    }

    //修改節點的資訊, 根據no編号來修改，即no編号不能改.
    //說明
    //1. 根據 newHeroNode 的 no 來修改即可
    public void update(HeroNode newHeroNode) {
        //判斷是否空
        if (head.next == null) {
            System.out.println("連結清單為空~");
            return;
        }
        //找到需要修改的節點, 根據no編号
        //定義一個輔助變量
        HeroNode temp = head;
        boolean flag = false; //表示是否找到該節點
        while (temp != null) {
            if (temp.no == newHeroNode.no) {
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        if (flag) {
            temp.name = newHeroNode.name;
            temp.nickname = newHeroNode.nickname;
        } else {
            //沒有找到
            System.out.printf("沒有找到 編号 %d 的節點，不能修改\n", newHeroNode.no);
        }
    }

    //删除節點
    //思路
    //1. head 不能動，是以我們需要一個temp輔助節點找到待删除節點的前一個節點
    //2. 說明我們在比較時，是temp.next.no 和  需要删除的節點的no比較
    public void del(int no) {
        HeroNode temp = head;
        boolean flag = false; // 标志是否找到待删除節點的
        while (temp.next != null) {
            if (temp.next.no == no) {
                //找到的待删除節點的前一個節點temp
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next; //temp後移，周遊
        }
        //判斷flag
        if (flag) { //找到
            //可以删除
            temp.next = temp.next.next;
        } else {
            System.out.printf("要删除的 %d 節點不存在\n", no);
        }
    }


    //顯示連結清單[周遊]
    public void list() {
        //判斷連結清單是否為空
        if (head.next == null) {
            System.out.println("連結清單為空");
            return;
        }
        //因為頭節點，不能動，是以我們需要一個輔助變量來周遊
        HeroNode temp = head.next;
        while (temp != null) {
            //輸出節點的資訊
            System.out.println(temp);
            //将temp後移， 一定小心
            temp = temp.next;
        }
    }
}

//定義HeroNode ， 每個HeroNode 對象就是一個節點
class HeroNode {
    public int no;
    public String name;
    public String nickname;
    public HeroNode next; //指向下一個節點

    //構造器
    public HeroNode(int no, String name, String nickname) {
        this.no = no;
        this.name = name;
        this.nickname = nickname;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "HeroNode [no=" + no + ", name=" + name + ", nickname=" + nickname + "]";
    }
}


           

雙向連結清單

單向連結清單，查找的方向隻能是一個方向，而雙向連結清單可以向前或者向後查找。

單向連結清單不能自我删除，需要靠輔助節點 ，而雙向連結清單，則可以自我删除，是以前面我們單連結清單删除節點，總是找到temp,temp是待删除節點的前一個節點。

代碼實作：

package datastructure.linkedlist;

public class DoubleLinkedListDemo {
}

class DoubleLinkedList {
    private HeroNode2 head = new HeroNode2(0, "", "");

    public HeroNode2 getHead() {
        return head;
    }

    //添加節點到單向連結清單
    public void add(HeroNode2 heroNode) {
        //因為head節點不能動，是以我們需要一個輔助周遊 temp
        HeroNode2 temp = head;
        //周遊連結清單，找到最後
        while (temp.next!= null) {
            temp = temp.next;
        }
        temp.next = heroNode;
        heroNode.pre =temp;
    }

    // 修改一個節點的内容, 可以看到雙向連結清單的節點内容修改和單向連結清單一樣
    // 隻是 節點類型改成 HeroNode2
    public void update(HeroNode2 newHeroNode) {
        //判斷是否空
        if (head.next == null) {
            System.out.println("連結清單為空~");
            return;
        }
        //找到需要修改的節點, 根據no編号
        //定義一個輔助變量
        HeroNode2 temp = head;
        boolean flag = false; //表示是否找到該節點
        while (temp != null) {
            if (temp.no == newHeroNode.no) {
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
        if (flag) {
            temp.name = newHeroNode.name;
            temp.nickname = newHeroNode.nickname;
        } else {
            //沒有找到
            System.out.printf("沒有找到 編号 %d 的節點，不能修改\n", newHeroNode.no);
        }
    }
    //删除
    public void del(int no){
        HeroNode2 temp = head;
        boolean flag = false; // 标志是否找到待删除節點的
        while (temp.next != null) {
            if (temp.next.no == no) {
                //找到的待删除節點的前一個節點temp
                flag = true;
                break;
            }
            temp = temp.next; //temp後移，周遊
        }
        //判斷flag
        if (flag) { //找到
            //可以删除
            temp.pre.next = temp.next;

            // 如果是最後一個節點，就不需要執行下面這句話，否則出現空指針
            if (temp.next != null) {
                temp.next.pre = temp.pre;
            }

        } else {
            System.out.printf("要删除的 %d 節點不存在\n", no);
        }
    }
    public void list()
    {
        //判斷連結清單是否為空
        if (head.next == null) {
            System.out.println("連結清單為空");
            return;
        }
        //因為頭節點，不能動，是以我們需要一個輔助變量來周遊
        HeroNode2 temp = head.next;
        while (temp != null) {
            //輸出節點的資訊
            System.out.println(temp);
            //将temp後移， 一定小心
            temp = temp.next;
        }
    }
}

//定義HeroNode ， 每個HeroNode 對象就是一個節點
class HeroNode2 {
    public int no;
    public String name;
    public String nickname;
    public HeroNode2 next; //指向下一個節點
    public HeroNode2 pre;//指向上一個節點

    //構造器
    public HeroNode2(int no, String name, String nickname) {
        this.no = no;
        this.name = name;
        this.nickname = nickname;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "HeroNode [no=" + no + ", name=" + name + ", nickname=" + nickname + "]";
    }
}

           

單向環形連結清單（實作約瑟夫環）

結構如圖示

Josephu（約瑟夫環問題）

Josephu 問題為：設編号為1，2，… n的n個人圍坐一圈，約定編号為k（1<=k<=n）的人從1開始報數，數到m 的那個人出列，它的下一位又從1開始報數，數到m的那個人又出列，依次類推，直到所有人出列為止，由此産生一個出隊編号的序列。

代碼實作：

package datastructure.linkedlist;

public class Josephu {

    public static void main(String[] args) {
        // 測試一把看看建構環形連結清單
        CircleSingleLinkedList circleSingleLinkedList = new CircleSingleLinkedList();
        circleSingleLinkedList.addBoy(5);// 加入5個小孩節點
        circleSingleLinkedList.show();

        //測試一把小孩出圈是否正确
        circleSingleLinkedList.countBoy(1, 2, 5); // 2->4->1->5->3
    }
}
class CircleSingleLinkedList {

    // 建立一個first節點,目前沒有編号
    private Boy first = null;

    // 添加小孩節點，建構成一個環形的連結清單
    public void addBoy(int nums) {
        // nums 做一個資料校驗
        if (nums < 1) {
            System.out.println("nums的值不符合規則，請重新輸入");
            return;
        }
        Boy temp = null;
        for (int i = 1; i <= nums; i++) {
            Boy boy = new Boy(i);
            if (i == 1) {
                first = boy;
                first.next=first; // 構成環
                temp = first; // 讓curBoy指向第一個小孩
            } else {
                temp.next=boy;
                boy.next=first;
                temp = boy;
            }
        }
    }
    //周遊
    public void show(){
        // 判斷連結清單是否為空
        if (first == null) {
            System.out.println("沒有任何小孩~~");
            return;
        }
        Boy temp =first;
        while(temp.next!=first){
            System.out.print(temp.no+"\t");
            temp=temp.next;
        }
        System.out.println(temp.no+"\t");
    }

    // 根據使用者的輸入，計算出小孩出圈的順序
    /**
     *
     * @param startNo
     *            表示從第幾個小孩開始數數
     * @param countNum
     *            表示數幾下
     * @param nums
     *            表示最初有多少小孩在圈中
     */
    public void countBoy(int startNo, int countNum, int nums) {
        // 先對資料進行校驗

        if (first == null || startNo < 1 || startNo > nums) {
            System.out.println("參數輸入有誤， 請重新輸入");
            return;
        }
        // 建立要給輔助指針,始終指向目前位置的前一個元素
        Boy pre =first;
        while(pre.next!=first)
        {
            pre=pre.next;//初始化，指向first的前一個元素
        }
        //先移動到第K個元素
        for(int j = 0; j < startNo - 1; j++) {
            first = first.next;
            pre=pre.next;
        }

        //當小孩報數時，讓first 和 helper 指針同時 的移動  m  - 1 次, 然後出圈
        //這裡是一個循環操作，知道圈中隻有一個節點
        while(pre!=first){
            for(int i =1;i<countNum;i++){
                first = first.next;
                pre=pre.next;
            }
            System.out.printf("小孩%d出圈\n", first.no);
            first=first.next;
            pre.next=first;
        }
        System.out.printf("小孩%d出圈\n", first.no);
    }
}
class Boy{

    public int no;// 編号
    public Boy next; // 指向下一個節點,預設null
    public Boy(int no){
        this.no=no;
    }
}