Java实现之顺序表、链表、栈、队列

蔚落 2022-05-28 08:20 168阅读 0赞

数据结构与算法是程序设计的两大基础，大型的IT企业面试时也会出数据结构和算法的题目，

它可以说明你是否有良好的逻辑思维，如果你具备良好的逻辑思维，即使技术存在某些缺陷，面试公司也会认为你很有培养价值，至少在一段时间之后，技术可以很快得到提高。同时，它也是软考的重点，我们需要对这部分的内容进行一下总结。

我们先看一下数据结构和算法的整体内容。

![20140417143957015][]

## 1、线性表 ##

###  概念： ###

数据元素的排列方式是线性的。

###  分类： ###

分类规则是根据上图中元素的存储结构来划分的。

![20140417152023312][]

####  （1）顺序表 ####

基本思想：元素的存储空间是连续的。在内存中是以顺序存储，内存划分的区域是连续的。存储结构如下图：

![20140417152510500][]

####  （2）链表 ####

基本思想：元素的存储空间是离散的，单独的（物理），它们可以通过在逻辑上指针的联系使得它成为了整体的链表。存储结构如下图：

![20140417154704718][]

1.单链表

![20140417160422750][]

![0_1305618800y6GC.gif][]

2.循环链表

![20140417160438046][]·

![0_1305618815gCFS.gif][]

3.双链表（双向循环表）

![20140417160445843][]

（图有点小问题 ：最后一个节点的 指针域 也指向头结点）

![Center][]

三者的区别（从上面三个图我们可以总结出来）：

1、它们都有数据域（data(p)）和指针域(next(p))，但是从图中可以看出双链表有两个指针域，一个指向它的前节点，一个指向它的后节点。

2、单链表最后一个节点的指针域为空，没有后继节点；循环链表和双链表最后一个节点的指针域指向头节点，下一个结点为头节点，构成循环；

3、单链表和循环链表只可向一个方向遍历；双链表和循环链表，首节点和尾节点被连接在一起，可视为“无头无尾”；双链表可以向两个方向移动，灵活度更大。

###  线性表操作： ###

理解了顺序表和链表的基本思想之后，线性表的操作是简单，并且网上有很多讲解插入和删除结点的博客，在这里我就不过多的介绍了。

###   顺序表和链表的对比： ###

![Center 1][]

栈和队列是特殊的线性表，既然特殊就有不同点。

## 2、栈 ##

基本思想：后进先出（先进后出）即栈中元素被处理时，按后进先出的顺序进行，栈又叫后进先出表（LIFO）。

举例：

日常生活中有很多栈的例子。例如，放在书桌上的一摞书，只能从书顶上拿走一本书，书也只能放在顶上。如下图所示：

![Center 2][]

## 3、队列 ##

基本思想：先进先出即先被接收的元素将先被处理，又叫先进先出表（FIFO）。如下图所示：

举例：

队列的例子，生活中更多。比如：买车票排队，排头最先买到车票，新来的排的队尾；进车站时，安检行李，先进去的最先出来，后进去的后出来。

![Center 3][]

### 分类： ###

#### 1.顺序队列 ####

如下图所示：

![SouthEast][]

顺序队列的操作，要判断队满和队空的标志，从图中我们可以总结得到：

1.队空：head = tail

2.队满：tail = m

#### 2.循环队列 ####

如下图所示：

![SouthEast 1][]

循环队列的操作，要判断队空和队满的情况，从图中我们可以总结得到：

1.队空：head = tail

2.队满：tail + 1 = head(在队列中会留一个空着的空间，所以要加1)

## 总结 ##

线性表真的很简单。

\----------------------------------------------------------------------------------------------------

数据结构中的线性表，对应着Collection接口中的List接口。

在本节中，我们将做以下三件事

第一。我们先来看看线性表的特征

第二，自己用JAVA实现List

第三，对比的线性表、链式表性能，以及自己的List性能与JDKList性能对比

线性表特征：

第一，一个特定的线性表，应该是用来存放特定的某一个类型的元素的（元素的“同一性”）

第二， 除第一个元素外，其他每一个元素有且仅有一个直接前驱；除最后一个元素外，其他每一个元素有且仅有一个直接后继（元素的“序偶性”）

第三， 元素在线性表中的“下标”唯一地确定该元素在表中的相对位置（元素的“索引性”）

又，一.线性表只是数据的一种逻辑结构，其具体存储结构可以为顺序存储结构和链式储存结构来完成，对应可以得到顺序表和链表，

二.对线性表的入表和出表顺序做一定的限定，可以得到特殊的线性表，栈(FILO)和队列（FIFO）

自己实现线性表之顺序表

思路：

1. 顺序表因为采用顺序存储形式，所以内部使用数组来存储数据

2.因为存储的具体对象类型不一定，所以采用泛型操作

3.数组操作优点：1.通过指针快速定位到下表，查询快速

缺点：1.数组声明时即需要确定数组大小。当操作中超过容量时，则需要重新声明数组，并且复制当前所有数据

2.当需要在中间进行插入或者删除时，则需要移动大量元素（size-index个）

具体实现代码如下

Java代码

1.  /\*\*
2.   \* 自己用数组实现的线性表
3.   \*/
4.  **public** **class** ArrayList<E> \{ 
5.   Object\[\] data = **null**;// 用来保存此队列中内容的数组
6.  **int** current; // 保存当前为第几个元素的指标
7.  **int** capacity; // 表示数组大小的指标
8.  
9.  /\*\*
10.  \* 如果初始化时，未声明大小，则默认为10
11.  \*/
12. **public** ArrayList() \{ 
13. **this**(10); 
14.  \} 
15. 
16. /\*\*
17.  \* 初始化线性表，并且声明保存内容的数组大小
18.  \* @param initalSize
19.  \*/
20. **public** ArrayList(**int** initalSize) \{ 
21. **if** (initalSize < 0) \{ 
22. **throw** **new** RuntimeException("数组大小错误:" \+ initalSize); 
23.  \} **else** \{ 
24. **this**.data = **new** Object\[initalSize\]; 
25. **this**.current = 0; 
26.  capacity = initalSize; 
27.  \} 
28.  \} 
29. 
30. /\*\*
31.  \* 添加元素的方法 添加前，先确认是否已经满了
32.  \* @param e
33.  \* @return
34.  \*/
35. **public** **boolean** add(E e) \{ 
36.  ensureCapacity(current);// 确认容量
37. **this**.data\[current\] = e; 
38.  current++; 
39. **return** **true**; 
40.  \} 
41. 
42. /\*\*
43.  \* 确认系统当前容量是否满足需要,如果满足，则不执行操作 如果不满足，增加容量
44.  \* @param cur 当前个数
45.  \*/
46. **private** **void** ensureCapacity(**int** cur) \{ 
47. **if** (cur == capacity) \{ 
48. // 如果达到容量极限，增加10的容量，复制当前数组
49. **this**.capacity = **this**.capacity + 10; 
50.  Object\[\] newdata = **new** Object\[capacity\]; 
51. **for** (**int** i = 0; i < cur; i++) \{ 
52.  newdata\[i\] = **this**.data\[i\]; 
53.  \} 
54. **this**.data = newdata; 
55.  \} 
56.  \} 
57. 
58. /\*\*
59.  \* 得到指定下标的数据
60.  \* @param index
61.  \* @return
62.  \*/
63. **public** E get(**int** index) \{ 
64.  validateIndex(index); 
65. **return** (E) **this**.data\[index\]; 
66.  \} 
67. 
68. /\*\*
69.  \* 返回当前队列大小
70.  \* @return
71.  \*/
72. **public** **int** size() \{ 
73. **return** **this**.current; 
74.  \} 
75. 
76. /\*\*
77.  \* 更改指定下标元素的数据为e
78.  \* @param index 
79.  \* @param e
80.  \* @return
81.  \*/
82. **public** **boolean** set(**int** index, E e) \{ 
83.  validateIndex(index); 
84. **this**.data\[index\] = e; 
85. **return** **true**; 
86.  \} 
87. 
88. /\*\*
89.  \* 验证当前下标是否合法，如果不合法，抛出运行时异常
90.  \* @param index 下标
91.  \*/
92. **private** **void** validateIndex(**int** index) \{ 
93. **if** (index < 0 || index > current) \{ 
94. **throw** **new** RuntimeException("数组index错误：" \+ index); 
95.  \} 
96.  \} 
97. 
98. /\*\*
99.  \* 在指定下标位置处插入数据e
100.  \* @param index 下标
101.  \* @param e 需要插入的数据
102.  \* @return 
103.  \*/
104. **public** **boolean** insert(**int** index, E e) \{ 
105.  validateIndex(index); 
106.  Object\[\] tem = **new** Object\[capacity\];// 用一个临时数组作为备份
107. //开始备份数组
108. **for** (**int** i = 0; i < current; i++) \{ 
109. **if** (i < index) \{ 
110.  tem\[i\] = **this**.data\[i\]; 
111.  \}**else** **if**(i==index)\{ 
112.  tem\[i\]=e; 
113.  \}**else** **if**(i>index)\{ 
114.  tem\[i\]=**this**.data\[i-1\]; 
115.  \} 
116.  \} 
117. **this**.data=tem; 
118. **return** **true**; 
119.  \} 
120. /\*\* \* 删除指定下标出的数据<br> 
121.  \* @param index<br> 
122.  \* @return<br> 
123.  \*/
124. **public** **boolean** delete(**int** index)\{
125. validateIndex(index);
126. Object\[\] tem = **new** Object\[capacity\];// 用一个临时数组作为备份
127.  //开始备份数组
128. for (int i = 0; i < current; i++) \{ 
129.  if (i < index) \{ 
130.  tem\[i\] = this.data\[i\];
131.  \}else if(i==index)\{ 
132.  tem\[i\]=this.data\[i+1\];
133.  \}else if(i>index)\{ 
134.  tem\[i\]=this.data\[i+1\];
135.  \}
136.  \}
137.  this.data=tem;
138.  return true;
139.  \}
140. \}

自己实现线性表之链表

思路：1.链表采用链式存储结构，在内部只需要将一个一个结点链接起来。（每个结点中有关于此结点下一个结点的引用）

链表操作优点：1.因为每个结点记录下个结点的引用，则在进行插入和删除操作时，只需要改变对应下标下结点的引用即可

缺点：1.要得到某个下标的数据，不能通过下标直接得到，需要遍历整个链表。

实现代码如下

Java代码 ![收藏代码][icon_star.png]

1.  /\*\*
2.   \* 自己用链式存储实现的线性表
3.   \*/
4.  **public** **class** LinkedList<E> \{ 
5.  
6.  **private** Node<E> header = **null**;// 头结点
7.  **int** size = 0;// 表示数组大小的指标
8.  
9.  **public** LinkedList() \{ 
10. **this**.header = **new** Node<E>(); 
11.  \} 
12. 
13. **public** **boolean** add(E e) \{ 
14. **if** (size == 0) \{ 
15.  header.e = e; 
16.  \} **else** \{ 
17. // 根据需要添加的内容，封装为结点
18.  Node<E> newNode = **new** Node<E>(e); 
19. // 得到当前最后一个结点
20.  Node<E> last = getNode(size-1); 
21. // 在最后一个结点后加上新结点
22.  last.addNext(newNode); 
23.  \} 
24.  size++;// 当前大小自增加1
25. **return** **true**; 
26.  \} 
27. 
28. **public** **boolean** insert(**int** index, E e) \{ 
29.  Node<E> newNode = **new** Node<E>(e); 
30. // 得到第N个结点
31.  Node<E> cNode = getNode(index); 
32.  newNode.next = cNode.next; 
33.  cNode.next = newNode; 
34.  size++; 
35. **return** **true**; 
36.  \} 
37. 
38. /\*\*
39.  \* 遍历当前链表，取得当前索引对应的元素
40.  \* 
41.  \* @return
42.  \*/
43. **private** Node<E> getNode(**int** index) \{ 
44. // 先判断索引正确性
45. **if** (index > size || index < 0) \{ 
46. **throw** **new** RuntimeException("索引值有错：" \+ index); 
47.  \} 
48.  Node<E> tem = **new** Node<E>(); 
49.  tem = header; 
50. **int** count = 0; 
51. **while** (count != index) \{ 
52.  tem = tem.next; 
53.  count++; 
54.  \} 
55. **return** tem; 
56.  \} 
57. 
58. /\*\*
59.  \* 根据索引，取得该索引下的数据
60.  \* 
61.  \* @param index
62.  \* @return
63.  \*/
64. **public** E get(**int** index) \{ 
65. // 先判断索引正确性
66. **if** (index >= size || index < 0) \{ 
67. **throw** **new** RuntimeException("索引值有错：" \+ index); 
68.  \} 
69.  Node<E> tem = **new** Node<E>(); 
70.  tem = header; 
71. **int** count = 0; 
72. **while** (count != index) \{ 
73.  tem = tem.next; 
74.  count++; 
75.  \} 
76.  E e = tem.e; 
77. **return** e; 
78.  \} 
79. 
80. **public** **int** size() \{ 
81. **return** size; 
82.  \} 
83. 
84. /\*\*
85.  \* 设置第N个结点的值
86.  \* 
87.  \* @param x
88.  \* @param e
89.  \* @return
90.  \*/
91. **public** **boolean** set(**int** index, E e) \{ 
92. // 先判断索引正确性
93. **if** (index > size || index < 0) \{ 
94. **throw** **new** RuntimeException("索引值有错：" \+ index); 
95.  \} 
96.  Node<E> newNode = **new** Node<E>(e); 
97. // 得到第x个结点
98.  Node<E> cNode = getNode(index); 
99.  cNode.e = e; 
100. **return** **true**; 
101.  \} 
102. 
103. /\*\*
104.  \* 用来存放数据的结点型内部类
105.  \*/
106. **class** Node<e> \{ 
107. **private** E e;// 结点中存放的数据
108.  Node<E> next;// 用来指向该结点的下一个结点
109. 
110. Node() \{ \} 
111.  Node(E e) \{ 
112. **this**.e = e; 
113.  \} 
114. // 在此结点后加一个结点
115. **void** addNext(Node<E> node) \{ 
116.  next = node; 
117.  \} 
118.  \} 
119. \}

自己实现线性表之栈

栈是限定仅允许在表的同一端（通常为“表尾”）进行插入或删除操作的线性表。

允许插入和删除的一端称为栈顶(top)，另一端称为栈底(base)  
特点：后进先出 (LIFO)或，先进后出（FILO）

因为栈是限定线的线性表，所以，我们可以调用前面两种线性表，只需要对出栈和入栈操作进行设定即可

具体实现代码

Java代码 ![收藏代码][icon_star.png]

1.  /\*\*
2.   \* 自己用数组实现的栈
3.   \*/
4.  **public** **class** ArrayStack<E> \{ 
5.  **private** ArrayList<E> list=**new** ArrayList<E>();//用来保存数据线性表<br> private int size;//表示当前栈元素个数
6.  /\*\*
7.   \* 入栈操作
8.   \* @param e
9.   \*/
10. **public** **void** push(E e)\{ 
11.  list.add(e); 
12.  size++; 
13.  \} 
14. 
15. /\*\*
16.  \* 出栈操作
17.  \* @return
18.  \*/
19. **public** E pop()\{ 
20.  E e= list.get(size-1); 
21.  size--; 
22. **return** e; 
23.  \} 
24. 
25. \}

至于用链表实现栈，则只需要把保存数据的顺序表改成链表即可，此处就不给出代码了

自己实现线性表之队列

与栈类似

队列是只允许在表的一端进行插入，而在另一端删除元素的线性表。

在队列中，允许插入的一端叫队尾（rear），允许删除的一端称为队头(front)。  
特点：先进先出 (FIFO)、后进后出 (LILO)

同理，我们也可以调用前面两种线性表，只需要对队列的入队和出队方式进行处理即可

Java代码 ![收藏代码][icon_star.png]

1.  **package** cn.javamzd.collection.List; 
2.  
3.  /\*\*
4.   \* 用数组实现的队列
5.   \*/
6.  **public** **class** ArrayQueue<E> \{ 
7.  **private** ArrayList<E> list = **new** ArrayList<E>();// 用来保存数据的队列
8.  **private** **int** size;// 表示当前栈元素个数
9.  
10. /\*\*
11.  \* 入队
12.  \* @param e
13.  \*/
14. **public** **void** EnQueue(E e) \{ 
15.  list.add(e); 
16.  size++; 
17.  \} 
18. 
19. /\*\*
20.  \* 出队
21.  \* @return
22.  \*/
23. **public** E DeQueue() \{ 
24. **if** (size > 0) \{ 
25.  E e = list.get(0); 
26.  list.delete(0); 
27. **return** e; 
28.  \}**else**\{ 
29. **throw** **new** RuntimeException("已经到达队列顶部"); 
30.  \} 
31.  \} 
32. \}

对比线性表和链式表  
前面已经说过顺序表和链式表各自的特点，这里在重申一遍

数组操作优点：1.通过指针快速定位到下标，查询快速

缺点： 1.数组声明时即需要确定数组大小。当操作中超过容量时，则需要重新声明数组，并且复制当前所有数据

2.当需要在中间进行插入或者删除时，则需要移动大量元素（size-index个）

链表操作优点：1.因为每个结点记录下个结点的引用，则在进行插入和删除操作时，只需要改变对应下标下结点的引用即可

缺点：1.要得到某个下标的数据，不能通过下标直接得到，需要遍历整个链表。

现在，我们通过进行增删改查操作来感受一次其效率的差异

思路：通过两个表，各进行大数据量操作（3W）条数据的操作，记录操作前系统时间，操作后系统时间，得出操作时间

实现代码如下

Java代码 ![收藏代码][icon_star.png]

1.  **package** cn.javamzd.collection.List; 
2.  
3.  **public** **class** Test \{ 
4.  
5.  /\*\*
6.   \* @param args
7.   \*/
8.  **public** **static** **void** main(String\[\] args) \{ 
9.  //测试自己实现的ArrayList类和Linkedlist类添加30000个数据所需要的时间
10.  ArrayList<String> al = **new** ArrayList<String>(); 
11.  LinkedList<String> ll = **new** LinkedList<String>(); 
12.  Long aBeginTime=System.currentTimeMillis();//记录BeginTime
13. **for**(**int** i=0;i<30000;i++)\{ 
14.  al.add("now"\+i); 
15.  \} 
16.  Long aEndTime=System.currentTimeMillis();//记录EndTime
17.  System.out.println("arrylist add time--->"\+(aEndTime-aBeginTime)); 
18.  Long lBeginTime=System.currentTimeMillis();//记录BeginTime
19. **for**(**int** i=0;i<30000;i++)\{ 
20.  ll.add("now"\+i); 
21.  \} 
22.  Long lEndTime=System.currentTimeMillis();//记录EndTime
23.  System.out.println("linkedList add time---->"\+(lEndTime-lBeginTime)); 
24. 
25. //测试JDK提供的ArrayList类和LinkedList类添加30000个数据所需要的世界
26.  java.util.ArrayList<String> sal=**new** java.util.ArrayList<String>(); 
27.  java.util.LinkedList<String> sll=**new** java.util.LinkedList<String>(); 
28.  Long saBeginTime=System.currentTimeMillis();//记录BeginTime
29. **for**(**int** i=0;i<30000;i++)\{ 
30.  sal.add("now"\+i); 
31.  \} 
32.  Long saEndTime=System.currentTimeMillis();//记录EndTime
33.  System.out.println("JDK arrylist add time--->"\+(saEndTime-saBeginTime)); 
34.  Long slBeginTime=System.currentTimeMillis();//记录BeginTime
35. **for**(**int** i=0;i<30000;i++)\{ 
36.  sll.add("now"\+i); 
37.  \} 
38.  Long slEndTime=System.currentTimeMillis();//记录EndTime
39.  System.out.println("JDK linkedList add time---->"\+(slEndTime-slBeginTime)); 
40.  \} 
41. 
42. \}

得到测试结果如下：

<table style="width:780px;background-color:rgb(255,255,255);color:rgb(0,0,0);line-height:25.2px;font-family:Helvetica, Tahoma, Arial, sans-serif;font-size:14px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em;">arrylist add time---&gt;446<br>linkedList add time----&gt;9767<br>JDK arrylist add time---&gt;13<br>JDK linkedList add time----&gt;12</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

由以上数据，我们可知：

1.JDK中的ArrayList何LinkedList在添加数据时的性能，其实几乎是没有差异的

2.我们自己写的List的性能和JDK提供的List的性能还是存在巨大差异的

3.我们使用链表添加操作，花费的时间是巨大的，比ArrayList都大几十倍

第三条显然是跟我们最初的设计不相符的，按照我们最初的设想，链表的添加应该比顺序表更省时

查看我们写的源码，可以发现：

我们每次添加一个数据时，都需要遍历整个表，得到表尾，再在表尾添加，这是很不科学的

现改进如下：设立一个Node<E>类的成员变量end来指示表尾，这样每次添加时，就不需要再重新遍历得到表尾

改进后add()方法如下

Java代码

1.  **public** **boolean** add(E e) \{ 
2.  **if** (size == 0) \{ 
3.   header.e = e; 
4.   \} **else** \{ 
5.  // 根据需要添加的内容，封装为结点
6.   Node<E> newNode = **new** Node<E>(e); 
7.  //在表尾添加元素
8.   last.addNext(newNode); 
9.  //将表尾指向当前最后一个元素
10.  last = newNode; 
11.  \} 
12.  size++;// 当前大小自增加1
13. **return** **true**; 
14. \}

ArrayList添加的效率和JDK中对比起来也太低

分析原因为：

每次扩大容量时，扩大量太小，需要进行的复制操作太多

现在改进如下：

每次扩大，则扩大容量为当前的三倍，此改进仅需要更改ensureCapacity()方法中的一行代码，此处就不列出了。

改进后，再次运行添加元素测试代码，结果如下：

<table style="width:780px;background-color:rgb(255,255,255);color:rgb(0,0,0);line-height:25.2px;font-family:Helvetica, Tahoma, Arial, sans-serif;font-size:14px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em;">arrylist add time---&gt;16<br>linkedList add time----&gt;8<br>JDK arrylist add time---&gt;7<br>JDK linkedList add time----&gt;7</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

虽然还有改进的空间，但是显然，我们的效果已经大幅度改进了，而且也比较接近JDK了

接下来测试插入操作的效率

我们只需要将测试代码中的添加方法(add())改成插入方法(insert(int index,E e)),为了使插入次数尽可能多，我们把index都设置为0

测试结果如下：

<table style="width:780px;background-color:rgb(255,255,255);color:rgb(0,0,0);line-height:25.2px;font-family:Helvetica, Tahoma, Arial, sans-serif;font-size:14px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em;">arrylist inset time---&gt;17<br>linkedList inset time----&gt;13<br>JDK arrylist inset time---&gt;503<br>JDK linkedList inset time----&gt;11</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

多次测试，发现我们写的ArrayList在插入方法的效率都已经超过JDK了，而且也接近LinkedLst了。撒花！！！

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[20140417152510500]: /images/20220528/a78074420fab4ebeb2556586c7b2da5f.png
[20140417154704718]: /images/20220528/fbcbc83f419f4c0d8967ee8b05c92afb.png
[20140417160422750]: /images/20220528/4f35940aa55d45e38eb6e11451126875.png
[0_1305618800y6GC.gif]: /images/20220528/bc34ecb1154d43ff927da5697503981e.png
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[0_1305618815gCFS.gif]: /images/20220528/b5c7de75609847698c20940e8c4ef4df.png
[20140417160445843]: /images/20220528/e00349b469ad45d99ec618a0f777b130.png
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[Center 1]: /images/20220528/7b251c6e2f3a49fa89daa3cbffeb3a4e.png
[Center 2]: /images/20220528/bb033f6ee8f64dbb9bd9cfbbb9b8bc71.png
[Center 3]: /images/20220528/2efe6a1ff49040e58428a3e787da54ab.png
[SouthEast]: /images/20220528/c8941ef1bbc8441d8bbdf014b8297964.png
[SouthEast 1]: /images/20220528/732576234e714a469c89cbeb1fdc6b40.png
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