基于Java实现稀疏数组与环形队列数据结构详解

<｜begin▁of▁sentence｜># 1. 概述 ## 1.1 什么是数据结构 数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。数据结构往往同高效的检索算法和索引技术有关。 ## 1.2 什么是算法 算法（Algorithm）是指解题方案的准确而完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令，算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。也就是说，能够对一定规范的输入，在有限时间内获得所要求的输出。如果一个算法有缺陷，或不适合于某个问题，执行这个算法将不会解决这个问题。不同的算法可能用不同的时间、空间或效率来完成同样的任务。一个算法的优劣可以用空间复杂度与时间复杂度来衡量。 ## 1.3 数据结构和算法的重要性 - 算法是程序的灵魂，优秀的程序可以在海量数据计算时，依然保持高速计算 - 一般来讲 程序会使用了内存计算框架(比如Spark)和缓存技术(比如Redis等)来优化程序,再深入的思考一下，这些计算框架和缓存技术， 它的核心功能是哪个部分呢？ - 拿实际工作经历来说, 在Unix下开发服务器程序，功能是要支持上千万人同时在线， 在上线前，做内测，一切OK,可上线后，服务器就支撑不住了, 公司的CTO对代码进行优化，再次上线，坚如磐石。你就能感受到程序是有灵魂的，就是算法。 - 目前程序员面试的门槛越来越高，很多一线IT公司(大厂)，都会有数据结构和算法面试题(负责的告诉你，肯定有的) - 如果你不想永远都是代码工人,那就花时间来研究下数据结构和算法 # 2. 数据结构和算法的关系 - 数据data结构(structure)是一门研究组织数据方式的学科，有了编程语言也就有了数据结构.学好数据结构可以编写出更加漂亮,更加有效率的代码。 - 要学习好数据结构就要多多考虑如何将生活中遇到的问题,用程序去实现解决. - 程序 = 数据结构 + 算法 - 数据结构是算法的基础, 换言之，想要学好算法，需要把数据结构学到位。 # 3. 线性结构和非线性结构 数据结构包括：线性结构和非线性结构。 ## 3.1 线性结构 1. 线性结构作为最常用的数据结构，其特点是数据元素之间存在一对一的线性关系 2. 线性结构有两种不同的存储结构，即顺序存储结构(数组)和链式存储结构(链表)。顺序存储的线性表称为顺序表，顺序表中的存储元素是连续的 3. 链式存储的线性表称为链表，链表中的存储元素不一定是连续的，元素节点中存放数据元素以及相邻元素的地址信息 4. 线性结构常见的有：数组、队列、链表和栈，后面我们会详细讲解. ## 3.2 非线性结构 非线性结构包括：二维数组，多维数组，广义表，树结构，图结构 # 4. 稀疏数组和队列 ## 4.1 稀疏 sparsearray 数组 ### 4.1.1 先看一个实际的需求 编写的五子棋程序中，有存盘退出和续上盘的功能。  分析问题: 因为该二维数组的很多值是默认值 0, 因此记录了很多没有意义的数据.->稀疏数组。 ### 4.1.2 基本介绍 当一个数组中大部分元素为０，或者为同一个值的数组时，可以使用稀疏数组来保存该数组。 稀疏数组的处理方法是: 1. 记录数组一共有几行几列，有多少个不同的值 2. 把具有不同值的元素的行列及值记录在一个小规模的数组中，从而缩小程序的规模 稀疏数组举例说明  ### 4.1.3 应用实例 1. 使用稀疏数组，来保留类似前面的二维数组(棋盘、地图等等) 2. 把稀疏数组存盘，并且可以从新恢复原来的二维数组数 3. 整体思路分析  4. 代码实现 ```java package com.atguigu.sparsearray; public class SparseArray { public static void main(String[] args) { // 创建一个原始的二维数组 11 * 11 // 0: 表示没有棋子， 1 表示 黑子 2 表蓝子 int chessArr1[][] = new int[11][11]; chessArr1[1][2] = 1; chessArr1[2][3] = 2; chessArr1[4][5] = 2; // 输出原始的二维数组 System.out.println("原始的二维数组~~"); for (int[] row : chessArr1) { for (int data : row) { System.out.printf("%d\t", data); } System.out.println(); } // 将二维数组 转 稀疏数组的思 // 1. 先遍历二维数组 得到非0数据的个数 int sum = 0; for (int i = 0; i < 11; i++) { for (int j = 0; j < 11; j++) { if (chessArr1[i][j] != 0) { sum++; } } } // 2. 创建对应的稀疏数组 int sparseArr[][] = new int[sum + 1][3]; // 给稀疏数组赋值 sparseArr[0][0] = 11; sparseArr[0][1] = 11; sparseArr[0][2] = sum; // 遍历二维数组，将非0的值存放到 sparseArr中 int count = 0; //count 用于记录是第几个非0数据 for (int i = 0; i < 11; i++) { for (int j = 0; j < 11; j++) { if (chessArr1[i][j] != 0) { count++; sparseArr[count][0] = i; sparseArr[count][1] = j; sparseArr[count][2] = chessArr1[i][j]; } } } // 输出稀疏数组的形式 System.out.println(); System.out.println("得到稀疏数组为~~~~"); for (int i = 0; i < sparseArr.length; i++) { System.out.printf("%d\t%d\t%d\t\n", sparseArr[i][0], sparseArr[i][1], sparseArr[i][2]); } System.out.println(); //将稀疏数组 --》 恢复成原始的二维数组 /* * 1. 先读取稀疏数组的第一行，根据第一行的数据，创建原始的二维数组，比如上面的 chessArr2 = int [11][11] 2. 在读取稀疏数组后几行的数据，并赋给 原始的二维数组 即可. */ //1. 先读取稀疏数组的第一行，根据第一行的数据，创建原始的二维数组 int chessArr2[][] = new int[sparseArr[0][0]][sparseArr[0][1]]; //2. 在读取稀疏数组后几行的数据(从第二行开始)，并赋给 原始的二维数组 即可 for(int i = 1; i < sparseArr.length; i++) { chessArr2[sparseArr[i][0]][sparseArr[i][1]] = sparseArr[i][2]; } // 输出恢复后的二维数组 System.out.println(); System.out.println("恢复后的二维数组"); for (int[] row : chessArr2) { for (int data : row) { System.out.printf("%d\t", data); } System.out.println(); } } } ``` ## 4.2 队列 ### 4.2.1 队列的一个使用场景 银行排队的案例:  ### 4.2.2 队列介绍 - 队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。 - 遵循先入先出的原则。即：先存入队列的数据，要先取出。后存入的要后取出 - 示意图：(使用数组模拟队列示意图)  ### 4.2.3 数组模拟队列思路 - 队列本身是有序列表，若使用数组的结构来存储队列的数据，则队列数组的声明如下图, 其中 maxSize 是该队列的最大容量。 - 因为队列的输出、输入是分别从前后端来处理，因此需要两个变量 front及 rear分别记录队列前后端的下标，front 会随着数据输出而改变，而 rear则是随着数据输入而改变，如图所示:  - 当我们将数据存入队列时称为”addQueue”，addQueue 的处理需要有两个步骤：思路分析 1. 将尾指针往后移：rear+1 , 当front == rear 【空】 2. 若尾指针 rear 小于队列的最大下标 maxSize-1，则将数据存入 rear所指的数组元素中，否则无法存入数据。 rear == maxSize - 1[队列满] - 代码实现 ```java package com.atguigu.queue; import java.util.Scanner; public class ArrayQueueDemo { public static void main(String[] args) { //测试一把 //创建一个队列 ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3); char key = ' '; //接收用户输入 Scanner scanner = new Scanner(System.in);// boolean loop = true; //输出一个菜单 while(loop) { System.out.println("s(show): 显示队列"); System.out.println("e(exit): 退出程序"); System.out.println("a(add): 添加数据到队列"); System.out.println("g(get): 从队列取出数据"); System.out.println("h(head): 查看队列头的数据"); key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符 switch (key) { case 's': queue.showQueue(); break; case 'a': System.out.println("输出一个数"); int value = scanner.nextInt(); queue.addQueue(value); break; case 'g': //取出数据 try { int res = queue.getQueue(); System.out.printf("取出的数据是%d\n", res); } catch (Exception e) { // TODO: handle exception System.out.println(e.getMessage()); } break; case 'h': //查看队列头的数据 try { int res = queue.headQueue(); System.out.printf("队列头的数据是%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("程序退出~~"); } } // 使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类 class ArrayQueue { private int maxSize; // 表示数组的最大容量 private int front; // 队列头 private int rear; // 队列尾 private int[] arr; // 该数据用于存放数据, 模拟队列 // 创建队列的构造器 public ArrayQueue(int arrMaxSize) { maxSize = arrMaxSize; arr = new int[maxSize]; front = -1; // 指向队列头部，分析出front是指向队列头的前一个位置. rear = -1; // 指向队列尾，指向队列尾的数据(即就是队列最后一个数据) } // 判断队列是否满 public boolean isFull() { return rear == maxSize - 1; } // 判断队列是否为空 public boolean isEmpty() { return rear == front; } // 添加数据到队列 public void addQueue(int n) { // 判断队列是否满 if (isFull()) { System.out.println("队列满，不能加入数据~"); return; } rear++; // 让rear 后移 arr[rear] = n; } // 获取队列的数据, 出队列 public int getQueue() { // 判断队列是否空 if (isEmpty()) { // 通过抛出异常 throw new RuntimeException("队列空，不能取数据"); } front++; // front后移 return arr[front]; } // 显示队列的所有数据 public void showQueue() { // 遍历 if (isEmpty()) { System.out.println("队列空的，没有数据~~"); return; } for (int i = 0; i < arr.length; i++) { System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]); } } // 显示队列的头数据， 注意不是取出数据 public int headQueue() { // 判断 if (isEmpty()) { throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~~"); } return arr[front + 1]; } } ``` - 问题分析并优化 1. 目前数组使用一次就不能用， 没有达到复用的效果 2. 将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列 取模：% ### 4.2.4 数组模拟环形队列 对前面的数组模拟队列的优化，充分利用数组. 因此将数组看做是一个环形的。(通过取模的方式来实现即可) 分析说明： 1. 尾索引的下一个为头索引时表示队列满，即将队列容量空出一个作为约定,这个在做判断队列满的时候需要注意 (rear + 1) % maxSize == front 满] 2. rear == front [空] 3. 分析示意图:  - 代码实现 ```java package com.atguigu.queue; import java.util.Scanner; public class CircleArrayQueueDemo { public static void main(String[] args) { //测试一把 System.out.println("测试数组模拟环形队列的案例~~~"); // 创建一个环形队列 CircleArray queue = new CircleArray(4); //说明设置4, 其队列的有效数据最大是3 char key = ' '; // 接收用户输入 Scanner scanner = new Scanner(System.in);// boolean loop = true; // 输出一个菜单 while (loop) { System.out.println("s(show): 显示队列"); System.out.println("e(exit): 退出程序"); System.out.println("a(add): 添加数据到队列"); System.out.println("g(get): 从队列取出数据"); System.out.println("h(head): 查看队列头的数据"); key = scanner.next().charAt(0);// 接收一个字符 switch (key) { case 's': queue.showQueue(); break; case 'a': System.out.println("输出一个数"); int value = scanner.nextInt(); queue.addQueue(value); break; case 'g': // 取出数据 try { int res = queue.getQueue(); System.out.printf("取出的数据是%d\n", res); } catch (Exception e) { // TODO: handle exception System.out.println(e.getMessage()); } break; case 'h': // 查看队列头的数据 try { int res = queue.headQueue(); System.out.printf("队列头的数据是%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("程序退出~~"); } } class CircleArray { private int maxSize; // 表示数组的最大容量 //front 变量的含义做一个调整： front 就指向队列的第一个元素, 也就是说 arr[front] 就是队列的第一个元素 //front 的初始值 = 0 private int front; //rear 变量的含义做一个调整：rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置. 因为希望空出一个空间做为约定. //rear 的初始值 = 0 private int rear; // 队列尾 private int[] arr; // 该数据用于存放数据, 模拟队列 public CircleArray(int arrMaxSize) { maxSize = arrMaxSize; arr = new int[maxSize]; } // 判断队列是否满 public boolean isFull() { return (rear + 1) % maxSize == front; } // 判断队列是否为空 public boolean isEmpty() { return rear == front; } // 添加数据到队列 public void addQueue(int n) { // 判断队列是否满 if (isFull()) { System.out.println("队列满，不能加入数据~"); return; } //直接将数据加入 arr[rear] = n; //将 rear 后移, 这里必须考虑取模 rear = (rear + 1) % maxSize; } // 获取队列的数据, 出队列 public int getQueue() { // 判断队列是否空 if (isEmpty()) { // 通过抛出异常 throw new RuntimeException("队列空，不能取数据"); } // 这里需要分析出 front是指向队列的第一个元素