1.1.1先看几个经典的算法面试题

  1. 字符串匹配问题:

    1. 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
    2. 硅你”
    3. 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
    4. 要求用最快的速度来完成匹配
    5. 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》

  2. 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

image.png

  1. 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

image.png

  1. 马踏棋盘算法介绍和游戏演示
    1. 1) 马踏棋盘算法也被称为骑士周游问题
    2. 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. 3) 游戏演示: http://www.4399.com/flash/146267_2.htm
    4. 4) 会使用到图的深度优化遍历算法(DFS) + 贪心算法优化

image.png

1.1.2数据结构和算法的重要性

  1. 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
  2. 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?
  3. 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。
  4. 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
  5. 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

  6. 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。

  7. 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.
  8. 程序 = 数据结构 + 算法
  9. 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

    image.png

小结:需要使用到单链表数据结构

2.2.2一个五子棋程序

image.png
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

  1. 棋盘 二维数组=>(稀疏数组)-> 写入文件 【存档功能】
  2. 读取文件-》稀疏数组-》二维数组 -》 棋盘 【接上局】

    2.2.3约瑟夫(Josephu)问题(丢手帕问题)

  3. 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。

  4. 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。
  5. 小结:完成约瑟夫问题,需要使用到单向环形链表 这个数据结构

    2.2.4其它常见算法问题:

  6. 修路问题 => 最小生成树(加权值)【数据结构】+ 普利姆算法

  7. 最短路径问题 => 图+弗洛伊德算法
  8. 汉诺塔 => 分支算法
  9. 八皇后问题 => 回溯法

    2.3 线性结构和非线性结构

    2.3.1线性结构

  10. 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

  11. 线性结构有两种不同的存储结构,即顺序存储结构(数组)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
  12. 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
  13. 线性结构常见的有:数组、队列、链表和栈

    2.3.2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

    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。
    image.png
    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:

    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:
image.png

3.1.3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

image.png
image.png
稀疏数组代码实现

  1. package Data;
  2. /*
  3. 稀疏数组的代码实现,
  4. */
  5. public class SparseArray {
  6. public static void main(String[] args) {
  7. /*
  8. 二维数组转稀疏数组
  9. */
  10. //先创建一个原始的二维数组
  11. //0表示没有棋子;1表示黑子;2表示篮子
  12. int chessArr[][]=new int[11][11];
  13. chessArr[1][2]=1;
  14. chessArr[2][3]=2;
  15. chessArr[4][5]=2;
  16. //输出原始数组
  17. System.out.println("输出原始数组");
  18. for (int[] row:chessArr){
  19. for (int data:row){
  20. System.out.printf("%d\t",data);
  21. }
  22. System.out.println();
  23. }
  24. //将二维数组转为稀疏数组
  25. //1.遍历二维数组,得到非零数据的个数
  26. int sum=0;
  27. for (int i = 0; i < 11; i++) {
  28. for (int j = 0; j < 11; j++) {
  29. if (chessArr[i][j]!=0){
  30. sum++;
  31. }
  32. }
  33. }
  34. System.out.println();
  35. System.out.println(sum);
  36. //2.创建对应的稀疏数组
  37. int sparseArr[][]=new int[sum+1][3];
  38. //给稀疏数组赋值
  39. sparseArr[0][0]=11;
  40. sparseArr[0][1]=11;
  41. sparseArr[0][2]=sum;
  42. //遍历二维数组,将非零数据放到稀疏数组
  43. int count=0;//count用于记录是第几个非零数据
  44. for (int i = 0; i < 11; i++) {
  45. for (int j = 0; j < 11; j++) {
  46. if (chessArr[i][j]!=0){
  47. count++;
  48. sparseArr[count][0]=i;
  49. sparseArr[count][1]=j;
  50. sparseArr[count][2]=chessArr[i][j];
  51. }
  52. }
  53. }
  54. //输出稀疏数组的形式
  55. System.out.println();
  56. System.out.println("得到的稀疏数组如下");
  57. for (int i = 0; i < sparseArr.length; i++) {
  58. System.out.printf("%d\t%d\t%d\t\n",sparseArr[i][0],sparseArr[i][1],sparseArr[i][2]);
  59. }
  60. /*
  61. 稀疏数组转二维数组
  62. */
  63. //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
  64. int chessArr1[][]=new int[sparseArr[0][0]][sparseArr[0][1]];
  65. //输出恢复结构的二维数组
  66. System.out.println();
  67. for (int[] row:chessArr1){
  68. for (int data:row){
  69. System.out.printf("%d\t",data);
  70. }
  71. System.out.println();
  72. }
  73. //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
  74. for (int i = 1; i < sparseArr.length; i++) {
  75. chessArr1[sparseArr[i][0]][sparseArr[i][1]]=sparseArr[i][2];
  76. }
  77. //输出恢复完全的二维数组
  78. System.out.println();
  79. for (int[] row:chessArr1){
  80. for (int data:row){
  81. System.out.printf("%d\t",data);
  82. }
  83. System.out.println();
  84. }
  85. }
  86. }

3.2队列

  • 队列的一个使用场景
  • 银行排队的案例:
    • image.png
  • 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)
      • image.png
  • 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:
      • image.png
    • 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

  1. //创建队列的构造器
  2. public ArrayQueue(int arrmaxSize) {
  3. this.maxSize = arrmaxSize;
  4. arr=new int[maxSize];
  5. front=-1;//指向队列头部,分析出front是指向队列头的前一个位置
  6. 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)
  7. }
  8. //判断队列是否满
  9. public boolean isFull(){
  10. return rear == maxSize - 1;
  11. }
  12. //判断队列是否为空
  13. public boolean isEmpty(){
  14. return rear == front;
  15. }
  16. //添加数据到队列
  17. public void addQueue(int n){
  18. //判断队列是否满
  19. if (isFull()){
  20. System.out.println("队列满,不能加入数据");
  21. return;
  22. }
  23. rear++;
  24. arr[rear] = n;
  25. }
  26. //获取队列的数据,出队列
  27. public int getQueue(){
  28. //判断队列是否为空
  29. if (isEmpty()){
  30. //通过抛出异常处理
  31. throw new RuntimeException("队列空,无法取数据");
  32. }
  33. front++;
  34. return arr[front];
  35. }
  36. //显示队列的所有数据
  37. public void showQueue(){
  38. //遍历
  39. if (isEmpty()){
  40. System.out.println("队列空");
  41. return;
  42. }
  43. for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
  44. System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i,arr[i]);
  45. }
  46. }
  47. //显示队列的头数据
  48. public int headQueue(){
  49. if (isEmpty()){
  50. throw new RuntimeException("队列空,无数据");
  51. }
  52. return arr[front+1];
  53. }

}

  1. - **问题分析**并优化
  2. - 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)
  3. - 分析说明:
  4. - 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]
  5. - 2)rear == front [空]
  6. - ![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)
  7. - ![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)
  8. > - 思路如下:
  9. > - 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
  10. > - front 的初始值 = 0
  11. > - 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.
  12. > - rear 的初始值 = 0
  13. > - 3. 当队列满时,条件是 (rear + 1) % maxSize == front 【满】
  14. > - 4. 对队列为空的条件, rear == front
  15. > - 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
  16. > - 6. 我们就可以在原来的队列上修改得到,一个环形队列
  17. - **环形队列代码实现**
  18. ```java
  19. package queue;
  20. /*
  21. 环形队列
  22. */
  23. import java.util.Scanner;
  24. public class CireleArrayQueue {
  25. public static void main(String[] args) {
  26. System.out.println("测试数组环形队列");
  27. CircleArray arrayQueue = new CircleArray(4);
  28. char key=' ';//接收用户的输入
  29. Scanner scanner = new Scanner(System.in);
  30. boolean loop=true;
  31. //输出一个菜单
  32. while (loop){
  33. System.out.println("s(show):显示队列");
  34. System.out.println("e(exit):退出程序");
  35. System.out.println("a(add):添加数据到队列");
  36. System.out.println("g(get):从队列取出数据");
  37. System.out.println("h(head):查看队列头数据");
  38. key=scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
  39. switch (key){
  40. case 's':
  41. arrayQueue.showQueue();
  42. break;
  43. case 'a':
  44. System.out.println("输入一个数");
  45. int value=scanner.nextInt();
  46. arrayQueue.addQueue(value);
  47. break;
  48. case 'g':
  49. try {
  50. int res=arrayQueue.getQueue();
  51. System.out.printf("取出的数是%d\n",res);
  52. }catch (Exception e){
  53. System.out.println(e.getMessage());
  54. }
  55. break;
  56. case 'h':
  57. try {
  58. int res=arrayQueue.headQueue();
  59. System.out.printf("取出的队列头数据是%d\n",res);
  60. }catch (Exception e){
  61. System.out.println(e.getMessage());
  62. }
  63. case 'e':
  64. scanner.close();
  65. loop=false;
  66. break;
  67. default:
  68. break;
  69. }
  70. }
  71. System.out.println("程序退出");
  72. }
  73. }
  74. class CircleArray{
  75. private int maxSize;//表示数组最大容量
  76. //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
  77. private int front;//队列头
  78. //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
  79. private int rear;//队列尾
  80. private int[] arr;//该数组用于存放数据,模拟队列
  81. public CircleArray(int arrMaxSize){
  82. this.maxSize = arrMaxSize;
  83. arr=new int[maxSize];
  84. }
  85. //判断队列是否满
  86. public boolean isFull(){
  87. return (rear+1)%maxSize==front;
  88. }
  89. //判断队列是否为空
  90. public boolean isEmpty(){
  91. return rear == front;
  92. }
  93. //添加数据到队列
  94. public void addQueue(int n){
  95. //判断队列是否满
  96. if (isFull()){
  97. System.out.println("队列满,不能加入数据");
  98. return;
  99. }
  100. //直接添加数据
  101. arr[rear]=n;
  102. //添加后将指向后移
  103. rear = (rear+1)%maxSize;
  104. }
  105. //获取队列的数据,出队列
  106. public int getQueue(){
  107. //判断队列是否为空
  108. if (isEmpty()){
  109. //通过抛出异常处理
  110. throw new RuntimeException("队列空,无法取数据");
  111. }
  112. //这里需要分析出front就指向队列的第一个元素
  113. //1.先把front的值保存到一个临时变量
  114. //2.再将front后移
  115. //3.将临时保存的值返回
  116. int value=arr[front];
  117. front=(front+1)%maxSize;
  118. return value;
  119. }
  120. //显示队列的所有数据
  121. public void showQueue(){
  122. //遍历
  123. if (isEmpty()){
  124. System.out.println("队列空");
  125. return;
  126. }
  127. //从front开始遍历
  128. for (int i = front; i < front+size(); i++) {
  129. System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i%maxSize,arr[i%maxSize]);
  130. }
  131. }
  132. //求出当前队列的有效数据个数
  133. public int size(){
  134. return (rear+maxSize-front)%maxSize;
  135. }
  136. //显示队列的头数据
  137. public int headQueue(){
  138. if (isEmpty()){
  139. throw new RuntimeException("队列空,无数据");
  140. }
  141. return arr[front];
  142. }
  143. }

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
  • image.png
  • 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
  • image.png

    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) {

    1. //测试
    2. HeroNode heroNode1 = new HeroNode(1,"宋江","及时雨");
    3. HeroNode heroNode2 = new HeroNode(2,"卢俊义","玉麒麟");
    4. HeroNode heroNode3 = new HeroNode(3,"吴用","智多星");
    5. HeroNode heroNode4 = new HeroNode(4,"林冲","豹子头");
    6. SingleLinkedList singleLinkedList = new SingleLinkedList();

/ singleLinkedList.add(heroNode1); singleLinkedList.add(heroNode2); singleLinkedList.add(heroNode3); singleLinkedList.add(heroNode4);/

  1. singleLinkedList.addByOther(heroNode1);
  2. singleLinkedList.addByOther(heroNode4);
  3. singleLinkedList.addByOther(heroNode3);
  4. singleLinkedList.addByOther(heroNode2);
  5. singleLinkedList.addByOther(heroNode3);
  6. singleLinkedList.list();
  7. }

} //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; } }

  1. //显示链表
  2. public void list(){
  3. //判断链表是否为空
  4. if (haed.next==null){
  5. System.out.println("链表为空!!!");
  6. return;
  7. }
  8. //因为头节点不能动,需要辅助变量
  9. HeroNode temp=haed.next;
  10. while (true){
  11. //判断链表是否到最后
  12. if (temp==null){
  13. break;
  14. }
  15. System.out.println(temp);
  16. //将next后移
  17. temp=temp.next;
  18. }
  19. }

} //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 + ‘\’’ + ‘}’; } } ```