Java数据结构与算法之稀疏数组与队列深入理解

之前学完了Java SE的知识,掌握了面向对象的编程思想,但对集合、多线程、反射、流的使用等内容理解的还不是很深入,打算再学习数据结构与算法的同时,在空闲的时间里去图书馆看《Java

核心技术 卷 I》这本书,很多大佬对这本书很推崇,之前在图书馆也看过其他Java的书籍,经过对比,这本书确实写的很有内涵;之后也会把看书过程中的收获写出来分享给大家,同时,连续的更新博客也是对自己学习的督促。终极目标:超越大我两级的学长,拿到大厂sp,年薪40w+!!!

一、数据结构和算法简介

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二、稀疏数组
CA5015DF-5DF9-7BA8-FC34-C9721F50F7AE.png稀疏数组的应用实例

1) 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据

二维数组与稀疏数组的转换

34BF2114-1BBE-E6D1-3C55-74DFDF78AA30.png二维数组 转 稀疏数组的思路

1.遍历原始的二维数组,得到有效数据的个数 sum

2.根据sum就可以创建稀疏数组 sparseArr int[sum + 1][3]

3.将二维数组的有效数据存入到稀疏数组

稀疏数组 转 原始的二维数组的思路

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。

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表示蓝子
		int chessArr1[][] = new int[11][11];
		chessArr1[1][2] = 1;
		chessArr1[2][3] = 2;
		// 新加的棋子;只需在这加就可以
		chessArr1[4][5] = 6;
		// 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 稀疏数组的思路
		// 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]);
		}
		// 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
		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();
		}
	}
}
 三、队列

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数组模拟队列 8B6E2527-F689-8329-279C-680C054D2DEB.png
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("去除的数据是%d\n",res);
				} catch (Exception e) {
					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) {
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case 'e'://退出
				scanner.close();
				loop = false;
				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(即就是队列的最后一个数据)
	}
	// 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];
	}
}
上述代码问题分析:

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(使用到了取模:%相关的算法)

代码优化:数组模拟环形队列

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 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

6.我们就可以在原来的队列上修改得到,一个环形队列

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public class CircleArrayQueueDemo {
	public static void main(String[] args) {
		// 测试
		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("去除的数据是%d\n", res);
				} catch (Exception e) {
					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) {
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case 'e':// 退出
				scanner.close();
				loop = false;
			default:
				break;
			}
		}
		System.out.println("程序退出~~");
	}
}
class CircleArray {
	private int maxSize;// 表示数组的最大容量
	// front的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作为约定。
	// rear的初始值=0
	private int rear;
	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;// 这里还有点没理解
	}
	// 获取队列的数据,出队列
	public int getQueue() {// 这里也没理解明白
		// 判断队列是否空
		if (isEmpty()) {
			// 通过异常抛出
			throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
		}
		// 这里需要分析出front时指向队列的第一个元素
		// 1.先把front对应的只保留到一个临时变量
		// 2.将front后移,考虑取模
		// 3.将临时保存的变量返回
		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("队列空的,没有数据~~");
			return;
		}
		// 思路:从front开始遍历,遍历多少个元素
		// 动脑筋
		for (int i = front; i < front + size(); i++) {
			System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
		}
	}
	// 求出当前队列有效数据的个数
	public int size() {
		return (rear + maxSize - front) % maxSize;
	}
	// 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];
	}
}
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