1.1.1先看几个经典的算法面试题
字符串匹配问题:
- 有一个字符串 str1= “”硅硅谷 尚硅谷你尚硅 尚硅谷你尚硅谷你尚硅你好””,和一个子串 str2=”尚硅谷你尚
- 硅你”
- 现在要判断 str1 是否含有 str2, 如果存在,就返回第一次出现的位置, 如果没有,则返回-1
- 要求用最快的速度来完成匹配
- 你的思路是什么?
暴力匹配 [简单,但是效率低] KMP 算法《部分匹配表》
汉诺塔游戏, 请完成汉诺塔游戏的代码: 要求:1) 将 A 塔的所有圆盘移动到 C 塔。并且规定,在 2) 小圆盘上不能放大圆盘,3)在三根柱子之间一次只能移动一个圆盘
- 八皇后问题八皇后问题,是一个古老而著名的问题,是回溯算法的典型案例。该问题是国际西洋棋棋手马克斯·贝瑟尔于1848 年提出:在 8×8 格的国际象棋上摆放八个皇后,使其不能互相攻击,即:任意两个皇后都不能处于同一行、同一列或同一斜线上,问有多少种摆法。【92】=> 分治算法
- 马踏棋盘算法介绍和游戏演示
- 1) 马踏棋盘算法也被称为骑士周游问题
- 2) 将马随机放在国际象棋的 8×8 棋盘 Board[0~7][0~7]的某个方格中,马按走棋规则(马走日字)进行移动。要求每个方格只进入一次,走遍棋盘上全部 64 个方格
- 3) 游戏演示: http://www.4399.com/flash/146267_2.htm
- 4) 会使用到图的深度优化遍历算法(DFS) + 贪心算法优化
1.1.2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
第 2 章 数据结构和算法概述
2.1.1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。
2.2 看几个实际编程中遇到的问题
2.2.1问题一-字符串替换问题
2.2.2一个五子棋程序
如何判断游戏的输赢,并可以完成存盘退出和继续上局的功能
- 棋盘 二维数组=>(稀疏数组)-> 写入文件 【存档功能】
-
2.2.3约瑟夫(Josephu)问题(丢手帕问题)
Josephu 问题为:设编号为 1,2,… n 的 n 个人围坐一圈,约定编号为 k(1<=k<=n)的人从 1 开始报数,数到 m 的那个人出列,它的下一位又从 1 开始报数,数到 m 的那个人又出列,依次类推,直到所有人出列为止,由此产生一个出队编号的序列。
- 提示:用一个不带头结点的循环链表来处理 Josephu 问题:先构成一个有 n 个结点的单循环链表(单向环形链表),然后由 k 结点起从 1 开始计数,计到 m 时,对应结点从链表中删除,然后再从被删除结点的下一个结点又从 1 开始计数,直到最后一个结点从链表中删除算法结束。
-
2.2.4其它常见算法问题:
修路问题 => 最小生成树(加权值)【数据结构】+ 普利姆算法
- 最短路径问题 => 图+弗洛伊德算法
- 汉诺塔 => 分支算法
-
2.3 线性结构和非线性结构
2.3.1线性结构
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
- 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
- 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
-
2.3.2非线性结构
第 3 章 稀疏数组和队列
3.1 稀疏 sparsearray 数组
3.1.1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。3.1.2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:- 记录数组一共有几行几列,有多少个不同的值
- 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
3.1.3应用实例
- 使用稀疏数组,来保留类似前面的二维数组(棋盘、地图等等)
- 把稀疏数组存盘,并且可以从新恢复原来的二维数组数
- 整体思路分析
稀疏数组代码实现
package Data;
/*
稀疏数组的代码实现,
*/
public class SparseArray {
public static void main(String[] args) {
/*
二维数组转稀疏数组
*/
//先创建一个原始的二维数组
//0表示没有棋子;1表示黑子;2表示篮子
int chessArr[][]=new int[11][11];
chessArr[1][2]=1;
chessArr[2][3]=2;
chessArr[4][5]=2;
//输出原始数组
System.out.println("输出原始数组");
for (int[] row:chessArr){
for (int data:row){
System.out.printf("%d\t",data);
}
System.out.println();
}
//将二维数组转为稀疏数组
//1.遍历二维数组,得到非零数据的个数
int sum=0;
for (int i = 0; i < 11; i++) {
for (int j = 0; j < 11; j++) {
if (chessArr[i][j]!=0){
sum++;
}
}
}
System.out.println();
System.out.println(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,将非零数据放到稀疏数组
int count=0;//count用于记录是第几个非零数据
for (int i = 0; i < 11; i++) {
for (int j = 0; j < 11; j++) {
if (chessArr[i][j]!=0){
count++;
sparseArr[count][0]=i;
sparseArr[count][1]=j;
sparseArr[count][2]=chessArr[i][j];
}
}
}
//输出稀疏数组的形式
System.out.println();
System.out.println("得到的稀疏数组如下");
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]);
}
/*
稀疏数组转二维数组
*/
//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
int chessArr1[][]=new int[sparseArr[0][0]][sparseArr[0][1]];
//输出恢复结构的二维数组
System.out.println();
for (int[] row:chessArr1){
for (int data:row){
System.out.printf("%d\t",data);
}
System.out.println();
}
//2.读取后面几行的数据(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++) {
chessArr1[sparseArr[i][0]][sparseArr[i][1]]=sparseArr[i][2];
}
//输出恢复完全的二维数组
System.out.println();
for (int[] row:chessArr1){
for (int data:row){
System.out.printf("%d\t",data);
}
System.out.println();
}
}
}
3.2队列
- 队列的一个使用场景
- 银行排队的案例:
- 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)
- 数组模拟队列
- 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]
- 队列代码实现 ```java package queue;
import java.util.Scanner;
/ 队列 / public class ArrayQueueDemo { public static void main(String[] args) { ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3); char key=’ ‘;//接收用户的输入 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):查看队列头数据”); key=scanner.next().charAt(0);//接收一个字符 switch (key){ case ‘s’: arrayQueue.showQueue(); break; case ‘a’: System.out.println(“输入一个数”); int value=scanner.nextInt(); arrayQueue.addQueue(value); break; case ‘g’: try { int res=arrayQueue.getQueue(); System.out.printf(“取出的数是%d\n”,res); }catch (Exception e){ System.out.println(e.getMessage()); } break; case ‘h’: try { int res=arrayQueue.headQueue(); System.out.printf(“取出的队列头数据是%d\n”,res); }catch (Exception e){ System.out.println(e.getMessage()); } case ‘e’: 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 class ArrayQueue{ private int maxSize;//表示数组最大容量 private int front;//队列头 private int rear;//队列尾 private int[] arr;//该数组用于存放数据,模拟队列
//创建队列的构造器
public ArrayQueue(int arrmaxSize) {
this.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++;
arr[rear] = n;
}
//获取队列的数据,出队列
public int getQueue(){
//判断队列是否为空
if (isEmpty()){
//通过抛出异常处理
throw new RuntimeException("队列空,无法取数据");
}
front++;
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");
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
public int headQueue(){
if (isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列空,无数据");
}
return arr[front+1];
}
}
- **问题分析**并优化
- 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]
- ![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/22782459/1645576267847-e164ffd5-86ef-478e-87da-bb4a24dd6aee.png#averageHue=%23c0aeae&clientId=ue12d2605-52aa-4&from=paste&height=181&id=MVne1&originHeight=181&originWidth=476&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=24180&status=done&style=none&taskId=uda40b5f1-5d15-4e3a-914c-fb0c32e6f4b&title=&width=476)
- ![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/22782459/1645577910049-e9ded9a6-58cd-42ab-abab-edd81f32d227.png#averageHue=%23ebebeb&clientId=ue12d2605-52aa-4&from=paste&height=287&id=u69fb6db0&originHeight=287&originWidth=1128&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=282019&status=done&style=none&taskId=ude846bab-af19-4c11-bb1d-4f515c717a0&title=&width=1128)
> - 思路如下:
> - 1. 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
> - 2. 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
> - 3. 当队列满时,条件是 (rear + 1) % maxSize == front 【满】
> - 4. 对队列为空的条件, rear == front 空
> - 5. 当我们这样分析, 队列中有效的数据的个数 (rear + maxSize - front) % maxSize // rear = 1 front = 0
> - 6. 我们就可以在原来的队列上修改得到,一个环形队列
- **环形队列代码实现**
```java
package queue;
/*
环形队列
*/
import java.util.Scanner;
public class CireleArrayQueue {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("测试数组环形队列");
CircleArray arrayQueue = new CircleArray(4);
char key=' ';//接收用户的输入
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):查看队列头数据");
key=scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
switch (key){
case 's':
arrayQueue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("输入一个数");
int value=scanner.nextInt();
arrayQueue.addQueue(value);
break;
case 'g':
try {
int res=arrayQueue.getQueue();
System.out.printf("取出的数是%d\n",res);
}catch (Exception e){
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h':
try {
int res=arrayQueue.headQueue();
System.out.printf("取出的队列头数据是%d\n",res);
}catch (Exception e){
System.out.println(e.getMessage());
}
case 'e':
scanner.close();
loop=false;
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出");
}
}
class CircleArray{
private int maxSize;//表示数组最大容量
//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的初始值为0
private int front;//队列头
//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作为约定,rear的初始值为0
private int rear;//队列尾
private int[] arr;//该数组用于存放数据,模拟队列
public CircleArray(int arrMaxSize){
this.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;
}
//直接添加数据
arr[rear]=n;
//添加后将指向后移
rear = (rear+1)%maxSize;
}
//获取队列的数据,出队列
public int getQueue(){
//判断队列是否为空
if (isEmpty()){
//通过抛出异常处理
throw new RuntimeException("队列空,无法取数据");
}
//这里需要分析出front就指向队列的第一个元素
//1.先把front的值保存到一个临时变量
//2.再将front后移
//3.将临时保存的值返回
int value=arr[front];
front=(front+1)%maxSize;
return value;
}
//显示队列的所有数据
public void showQueue(){
//遍历
if (isEmpty()){
System.out.println("队列空");
return;
}
//从front开始遍历
for (int i = front; i < front+size(); i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i%maxSize,arr[i%maxSize]);
}
}
//求出当前队列的有效数据个数
public int size(){
return (rear+maxSize-front)%maxSize;
}
//显示队列的头数据
public int headQueue(){
if (isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列空,无数据");
}
return arr[front];
}
}
第 4 章 链表
链表(Linked List)介绍
- 链表是有序的列表,但是它在内存中是存储如下
- 小结:
- 1)链表是以节点的方式来存储,是链式存储
- 2)每个节点包含 data 域, next 域:指向下一个节点.
- 3)如图:发现链表的各个节点不一定是连续存储.
- 4)链表分带头节点的链表和没有头节点的链表,根据实际的需求来确定
- 单链表(带头结点) 逻辑结构示意图如下
-
单链表的应用实例
使用带head头的单向链表实现 –水浒英雄排行榜管理
- 1)完成对英雄人物的增删改查操作, 注: 删除和修改,查找可以考虑学员独立完成,也可带学员完成
- 2)第一种方法在添加英雄时,直接添加到链表的尾部
- 3)第二种方式在添加英雄时,根据排名将英雄插入到指定位置(如果有这个排名,则添加失败,并给出提示)
代码如下 ```java package linkedlist; / 链表最后添加数据和遍历 / public class SingleLinkedListDemo { public static void main(String[] args) {
//测试
HeroNode heroNode1 = new HeroNode(1,"宋江","及时雨");
HeroNode heroNode2 = new HeroNode(2,"卢俊义","玉麒麟");
HeroNode heroNode3 = new HeroNode(3,"吴用","智多星");
HeroNode heroNode4 = new HeroNode(4,"林冲","豹子头");
SingleLinkedList singleLinkedList = new SingleLinkedList();
/ singleLinkedList.add(heroNode1); singleLinkedList.add(heroNode2); singleLinkedList.add(heroNode3); singleLinkedList.add(heroNode4);/
singleLinkedList.addByOther(heroNode1);
singleLinkedList.addByOther(heroNode4);
singleLinkedList.addByOther(heroNode3);
singleLinkedList.addByOther(heroNode2);
singleLinkedList.addByOther(heroNode3);
singleLinkedList.list();
}
} //定义SingleLinkedList管理英雄 class SingleLinkedList{ //先初始化一个头节点,头节点不要动 private HeroNode haed=new HeroNode(0,””,””); //第一种:添加节点到单项链表的方式 / 思路:当不考虑编号顺序时 1.找到当前链表的最后节点 2.将这个节点的next指向新的节点 / public void add(HeroNode heroNode){ //因为head节点不能动,因此我们需要一个辅助节点temp HeroNode temp=haed; //遍历链表,找到最后 while (true){ //找到链表最后 if (temp.next==null){ break; } //如果没有找到最后,就temp后移 temp=temp.next; } / 当推出while循环时,temp就指向了链表的最后 将最后这个节点的next指向新的节点 / temp.next=heroNode; } //第二种:根据排名添加到指定位置 public void addByOther(HeroNode heroNode){ //因为头节点不能动,需要辅助节点,因此我们找到temp应是位于添加位置的前一个节点,否则插入不了 HeroNode temp=haed; boolean flag=false;//标志添加的编号是否存在 while (true){ if (temp.next==null){ break; } if (temp.next.no>heroNode.no){//位置找到,就在temp后 break; }else if (temp.next.no==heroNode.no){//说明希望添加的heroNode存在 flag=true; break; } temp=temp.next;//后移 } //判读flag if (flag){ System.out.printf(“编号为%d英雄已经存在\n”,heroNode.no); }else { //可以插入 heroNode.next=temp.next; temp.next=heroNode; } }
//显示链表
public void list(){
//判断链表是否为空
if (haed.next==null){
System.out.println("链表为空!!!");
return;
}
//因为头节点不能动,需要辅助变量
HeroNode temp=haed.next;
while (true){
//判断链表是否到最后
if (temp==null){
break;
}
System.out.println(temp);
//将next后移
temp=temp.next;
}
}
} //定义HeroNode,每个HeroNode对象就是一个节点 class HeroNode{ public int no; public String name; public String nickname; public HeroNode next;//指向下一个节点 //构造器 public HeroNode(int no, String name, String nickname) { this.no = no; this.name = name; this.nickname = nickname; } //重写toString @Override public String toString() { return “HeroNode{“ + “no=” + no + “, name=’” + name + ‘\’’ + “, nickname=’” + nickname + ‘\’’ + ‘}’; } } ```