数据结构算法设计模式

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我是靠谱客的博主单纯眼神，最近开发中收集的这篇文章主要介绍数据结构算法设计模式，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

本文是看牛客网做的摘抄
原文地址
https://www.nowcoder.com/tutorial/93/f982cd252694499181bcf1bb83780cad

请你回答一下epoll怎么实现的
参考回答：
Linux epoll机制是通过红黑树和双向链表实现的。首先通过epoll_create()系统调用在内核中创建一个eventpoll类型的句柄，其中包括红黑树根节点和双向链表头节点。然后通过epoll_ctl()系统调用，向epoll对象的红黑树结构中添加、删除、修改感兴趣的事件，返回0标识成功，返回-1表示失败。最后通过epoll_wait()系统调用判断双向链表是否为空，如果为空则阻塞。当文件描述符状态改变，fd上的回调函数被调用，该函数将fd加入到双向链表中，此时epoll_wait函数被唤醒，返回就绪好的事件。

请你说一说Top(K)问题
参考回答：

参考回答：
首先使用快速排序算法将数组按照从大到小排序，然后取第k个，其时间复杂度最快为O(nlogn)
使用堆排序，建立最大堆，然后调整堆，知道获得第k个元素，其时间复杂度为O(n+klogn)
首先利用哈希表统计数组中个元素出现的次数，然后利用计数排序的思想，线性从大到小扫描过程中，前面有k-1个数则为第k大的数
利用快排思想，从数组中随机选择一个数i，然后将数组分成两部分Dl,Dr，Dl的元素都小于i,Dr的元素都大于i。然后统计Dr元素个数，如果Dr元素个数等于k-1,那么第k大的数即为k，如果Dr元素个数小于k,那么继续求Dl中第k-Dr大的元素；如果Dr元素个数大于k,那么继续求Dr中第k大的元素。

当有相同元素的时候，
首先利用哈希表统计数组中个元素出现的次数，然后利用计数排序的思想，线性从大到小扫描过程中，前面有k-1个数则为第k大的数，平均情况下时间复杂度为O(n)

1、直接全部排序（只适用于内存够的情况）
当数据量较小的情况下，内存中可以容纳所有数据。则最简单也是最容易想到的方法是将数据全部排序，然后取排序后的数据中的前K个。
这种方法对数据量比较敏感，当数据量较大的情况下，内存不能完全容纳全部数据，这种方法便不适应了。即使内存能够满足要求，该方法将全部数据都排序了，而题目只要求找出top K个数据，所以该方法并不十分高效，不建议使用。
2、快速排序的变形（只使用于内存够的情况）
这是一个基于快速排序的变形，因为第一种方法中说到将所有元素都排序并不十分高效，只需要找出前K个最大的就行。
这种方法类似于快速排序，首先选择一个划分元，将比这个划分元大的元素放到它的前面，比划分元小的元素放到它的后面，此时完成了一趟排序。如果此时这个划分元的序号index刚好等于K，那么这个划分元以及它左边的数，刚好就是前K个最大的元素；如果index > K，那么前K大的数据在index的左边，那么就继续递归的从index-1个数中进行一趟排序；如果index < K，那么再从划分元的右边继续进行排序，直到找到序号index刚好等于K为止。再将前K个数进行排序后，返回Top K个元素。这种方法就避免了对除了Top K个元素以外的数据进行排序所带来的不必要的开销。
3、最小堆法
这是一种局部淘汰法。先读取前K个数，建立一个最小堆。然后将剩余的所有数字依次与最小堆的堆顶进行比较，如果小于或等于堆顶数据，则继续比较下一个；否则，删除堆顶元素，并将新数据插入堆中，重新调整最小堆。当遍历完全部数据后，最小堆中的数据即为最大的K个数。
4、分治法
将全部数据分成N份，前提是每份的数据都可以读到内存中进行处理，找到每份数据中最大的K个数。此时剩下NK个数据，如果内存不能容纳NK个数据，则再继续分治处理，分成M份，找出每份数据中最大的K个数，如果M*K个数仍然不能读到内存中，则继续分治处理。直到剩余的数可以读入内存中，那么可以对这些数使用快速排序的变形或者归并排序进行处理。
5、Hash法
如果这些数据中有很多重复的数据，可以先通过hash法，把重复的数去掉。这样如果重复率很高的话，会减少很大的内存用量，从而缩小运算空间。处理后的数据如果能够读入内存，则可以直接排序；否则可以使用分治法或者最小堆法来处理数据。

请你实现二叉树的层序遍历并输出
参考回答：

	void layerTrace(BTreeNode *T)
{
if(T== nullptr)return;
BTreeNode *p=T;
queue<BTreeNode*>q;
q.push(p);
while(!q.empty())
{
p=q.front();
q.pop();
cout<<<<p->data;
if(p->left!= nullptr)q.push(p->left);
if(p->right!= nullptr)q.push(p->right);
}
}```

请你回答一下栈和堆的区别，以及为什么栈要快
参考回答：
堆和栈的区别：
堆是由低地址向高地址扩展；栈是由高地址向低地址扩展

堆中的内存需要手动申请和手动释放；栈中内存是由OS自动申请和自动释放，存放着参数、局部变量等内存

堆中频繁调用malloc和free,会产生内存碎片，降低程序效率；而栈由于其先进后出的特性，不会产生内存碎片

堆的分配效率较低，而栈的分配效率较高

栈的效率高的原因：

栈是操作系统提供的数据结构，计算机底层对栈提供了一系列支持：分配专门的寄存器存储栈的地址，压栈和入栈有专门的指令执行；而堆是由C/C++函数库提供的，机制复杂，需要一些列分配内存、合并内存和释放内存的算法，因此效率较低。

写代码：两个栈实现一个队列
参考回答：

class Solution
{
public:
void push(int node) {
stack1.push(node);
}
int pop() {
if(stack2.size()!=0){
int tmp = stack2.top();
stack2.pop();
return tmp;
}
else{
while(stack1.size()!=0){
int tmp = stack1.top();
stack1.pop();
stack2.push(tmp);
}
return pop();
}
}
 
 
private:
stack<int> stack1;
stack<int> stack2;
 }；

一个长度为N的整形数组，数组中每个元素的取值范围是[0,n-1],判断该数组否有重复的数，请说一下你的思路并手写代码
参考回答：
把每个数放到自己对应序号的位置上，如果其他位置上有和自己对应序号相同的数，那么即为有重复的数值。时间复杂度为O(N),同时为了节省空间复杂度，可以在原数组上进行操作，空间复杂度为O(1)

	bool IsDuplicateNumber(int *array, int n)
{
if(array==NULL) return false;
int i,temp;
for(i=0;i<n;i++)
{
while(array[i]!=i)
{
if(array[array[i]]==array[i])
return true;
temp=array[array[i]];
array[array[i]]=array[i];
array[i]=temp;
}
}
return false;
}

快排

https://blog.csdn.net/yangchuang93/article/details/80849730

void quickSort(int a[], int low ,int high)
{
	if(low<high)  //判断是否满足排序条件，递归的终止条件
	{
		int i = low, j = high;   //把待排序数组元素的第一个和最后一个下标分别赋值给i,j，使用i,j进行排序；
		int x = a[low];    //将待排序数组的第一个元素作为哨兵，将数组划分为大于哨兵以及小于哨兵的两部分                                   
		while(i<j)  
		{
		  while(i<j && a[j] >= x) j--;  //从最右侧元素开始，如果比哨兵大，那么它的位置就正确，然后判断前一个元素，直到不满足条件
		  if(i<j) a[i++] = a[j];   //把不满足位次条件的那个元素值赋值给第一个元素，（也即是哨兵元素，此时哨兵已经保存在x中，不会丢失）并把i的加1
		  while(i<j && a[i] <= x) i++; //换成左侧下标为i的元素开始与哨兵比较大小，比其小，那么它所处的位置就正确，然后判断后一个，直到不满足条件
		  if(i<j) a[j--] = a[i];  //把不满足位次条件的那个元素值赋值给下标为j的元素，（下标为j的元素已经保存到前面，不会丢失）并把j的加1
		} 
	        a[i] = x;   //完成一次排序，把哨兵赋值到下标为i的位置，即前面的都比它小，后面的都比它大
		quickSort(a, low ,i-1);  //递归进行哨兵前后两部分元素排序 ， low,high的值不发生变化，i处于中间
		quickSort(a, i+1 ,high);
	}
}

请你来介绍一下各种排序算法及时间复杂度
参考回答：
插入排序：对于一个带排序数组来说，其初始有序数组元素个数为1，然后从第二个元素，插入到有序数组中。对于每一次插入操作，从后往前遍历当前有序数组，如果当前元素大于要插入的元素，则后移一位；如果当前元素小于或等于要插入的元素，则将要插入的元素插入到当前元素的下一位中。
希尔排序：先将整个待排序记录分割成若干子序列，然后分别进行直接插入排序，待整个序列中的记录基本有序时，在对全体记录进行一次直接插入排序。其子序列的构成不是简单的逐段分割，而是将每隔某个增量的记录组成一个子序列。希尔排序时间复杂度与增量序列的选取有关，其最后一个值必须为1.
归并排序：该算法采用分治法；对于包含m个元素的待排序序列，将其看成m个长度为1的子序列。然后两两合归并，得到n/2个长度为2或者1的有序子序列；然后再两两归并，直到得到1个长度为m的有序序列。
冒泡排序：对于包含n个元素的带排序数组，重复遍历数组，首先比较第一个和第二个元素，若为逆序，则交换元素位置；然后比较第二个和第三个元素，重复上述过程。每次遍历会把当前前n-i个元素中的最大的元素移到n-i位置。遍历n次，完成排序。
快速排序：通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小，然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序，整个排序过程可以递归进行，以此达到整个数据变成有序序列。
选择排序：每次循环，选择当前无序数组中最小的那个元素，然后将其与无序数组的第一个元素交换位置，从而使有序数组元素加1，无序数组元素减1.初始时无序数组为空。
堆排序：堆排序是一种选择排序，利用堆这种数据结构来完成选择。其算法思想是将带排序数据构造一个最大堆（升序）/最小堆（降序），然后将堆顶元素与待排序数组的最后一个元素交换位置，此时末尾元素就是最大/最小的值。然后将剩余n-1个元素重新构造成最大堆/最小堆。
各个排序的时间复杂度、空间复杂度及稳定性如下：

8、计数排序：
思想：如果比元素x小的元素个数有n个，则元素x排序后位置为n+1。
步骤：
1）找出待排序的数组中最大的元素；
2）统计数组中每个值为i的元素出现的次数，存入数组C的第i项；
3）对所有的计数累加（从C中的第一个元素开始，每一项和前一项相加）；
4）反向填充目标数组：将每个元素i放在新数组的第C(i)项，每放一个元素就将C(i)减去1。
稳定性：稳定
时间复杂度：O(n+k)，k是待排序数的范围。
9、桶排序：
步骤：
1）设置一个定量的数组当作空桶子；常见的排序算法及其复杂度：
2）寻访序列，并且把记录一个一个放到对应的桶子去；
3）对每个不是空的桶子进行排序。
4）从不是空的桶子里把项目再放回原来的序列中。
时间复杂度：O(n+C) ，C为桶内排序时间。

请问海量数据如何去取最大的k个
参考回答：
1.直接全部排序（只适用于内存够的情况）
当数据量较小的情况下，内存中可以容纳所有数据。则最简单也是最容易想到的方法是将数据全部排序，然后取排序后的数据中的前K个。
这种方法对数据量比较敏感，当数据量较大的情况下，内存不能完全容纳全部数据，这种方法便不适应了。即使内存能够满足要求，该方法将全部数据都排序了，而题目只要求找出top K个数据，所以该方法并不十分高效，不建议使用。

2.快速排序的变形（只使用于内存够的情况）
这是一个基于快速排序的变形，因为第一种方法中说到将所有元素都排序并不十分高效，只需要找出前K个最大的就行。
这种方法类似于快速排序，首先选择一个划分元，将比这个划分元大的元素放到它的前面，比划分元小的元素放到它的后面，此时完成了一趟排序。如果此时这个划分元的序号index刚好等于K，那么这个划分元以及它左边的数，刚好就是前K个最大的元素；如果index > K，那么前K大的数据在index的左边，那么就继续递归的从index-1个数中进行一趟排序；如果index < K，那么再从划分元的右边继续进行排序，直到找到序号index刚好等于K为止。再将前K个数进行排序后，返回Top K个元素。这种方法就避免了对除了Top K个元素以外的数据进行排序所带来的不必要的开销。

3.最小堆法
这是一种局部淘汰法。先读取前K个数，建立一个最小堆。然后将剩余的所有数字依次与最小堆的堆顶进行比较，如果小于或等于堆顶数据，则继续比较下一个；否则，删除堆顶元素，并将新数据插入堆中，重新调整最小堆。当遍历完全部数据后，最小堆中的数据即为最大的K个数。

4.分治法
将全部数据分成N份，前提是每份的数据都可以读到内存中进行处理，找到每份数据中最大的K个数。此时剩下NK个数据，如果内存不能容纳NK个数据，则再继续分治处理，分成M份，找出每份数据中最大的K个数，如果M*K个数仍然不能读到内存中，则继续分治处理。直到剩余的数可以读入内存中，那么可以对这些数使用快速排序的变形或者归并排序进行处理。

O（N2),元素本来倒序排列用时最多

● 请问快排的时间复杂度最差是多少？什么时候时间最差
参考回答：
O（N2),元素本来倒序排列用时最多

● 请问稳定排序哪几种？
参考回答：
基数排序、冒泡排序、直接插入排序、折半插入排序、归并排序

请你说一下解决hash冲突的方法
参考回答：
当哈希表关键字集合很大时，关键字值不同的元素可能会映象到哈希表的同一地址上，这样的现象称为哈希冲突。目前常用的解决哈希冲突的方法如下：
开放定址法: 当发生地址冲突时，按照某种方法继续探测哈希表中的其他存储单元，直到找到空位置为止。
再哈希法：当发生哈希冲突时使用另一个哈希函数计算地址值，直到冲突不再发生。这种方法不易产生聚集，但是增加计算时间，同时需要准备许多哈希函数。
链地址法：将所有哈希值相同的Key通过链表存储。key按顺序插入到链表中
建立公共溢出区：采用一个溢出表存储产生冲突的关键字。如果公共溢出区还产生冲突，再采用处理冲突方法处理。

请你说一说哈希冲突的解决方法
参考回答：
考察点：hash冲突，数据结构
公司：腾讯
1、开放定址
开放地址法有个非常关键的特征，就是所有输入的元素全部存放在哈希表里，也就是说，位桶的实现是不需要任何的链表来实现的，换句话说，也就是这个哈希表的装载因子不会超过1。它的实现是在插入一个元素的时候，先通过哈希函数进行判断，若是发生哈希冲突，就以当前地址为基准，根据再寻址的方法（探查序列），去寻找下一个地址，若发生冲突再去寻找，直至找到一个为空的地址为止。所以这种方法又称为再散列法。
有几种常用的探查序列的方法：
①线性探查
dii=1，2，3，…，m-1；这种方法的特点是：冲突发生时，顺序查看表中下一单元，直到找出一个空单元或查遍全表。
②二次探查
di=12，-12，22，-22，…，k2，-k2 ( k<=m/2 )；这种方法的特点是：冲突发生时，在表的左右进行跳跃式探测，比较灵活。
③ 伪随机探测
di=伪随机数序列；具体实现时，应建立一个伪随机数发生器，（如i=(i+p) % m），生成一个位随机序列，并给定一个随机数做起点，每次去加上这个伪随机数++就可以了。
2、链地址
每个位桶实现的时候，采用链表或者树的数据结构来去存取发生哈希冲突的输入域的关键字，也就是被哈希函数映射到同一个位桶上的关键字。

紫色部分即代表哈希表，也称为哈希数组，数组的每个元素都是一个单链表的头节点，链表是用来解决冲突的，如果不同的key映射到了数组的同一位置处，就将其放入单链表中，即链接在桶后。
3、公共溢出区
建立一个公共溢出区域，把hash冲突的元素都放在该溢出区里。查找时，如果发现hash表中对应桶里存在其他元素，还需要在公共溢出区里再次进行查找。
4、再hash
再散列法其实很简单，就是再使用哈希函数去散列一个输入的时候，输出是同一个位置就再次散列，直至不发生冲突位置。
缺点：每次冲突都要重新散列，计算时间增加。

请问加密方法都有哪些
参考回答：
考察点：密码学
公司：腾讯
1、单向加密
单向加密又称为不可逆加密算法，其密钥是由加密散列函数生成的。单向散列函数一般用于产生消息摘要，密钥加密等，常见的有：

MD5（Message Digest Algorithm 5）：是RSA数据安全公司开发的一种单向散列算法，非可逆，相同的明文产生相同的密文；
SHA（Secure Hash Algorithm）：可以对任意长度的数据运算生成一个160位的数值。其变种由SHA192，SHA256，SHA384等；
CRC-32，主要用于提供校验功能；
算法特征：
输入一样，输出必然相同；
雪崩效应，输入的微小改变，将会引起结果的巨大变化；
定长输出，无论原始数据多大，结果大小都是相同的；
不可逆，无法根据特征码还原原来的数据；
2、对称加密
采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可以同时用作信息的加密和解密，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密。
特点：
1、加密方和解密方使用同一个密钥；
2、加密解密的速度比较快，适合数据比较长时的使用；
3、密钥传输的过程不安全，且容易被破解，密钥管理也比较麻烦；
优点：对称加密算法的优点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。
缺点：对称加密算法的缺点是在数据传送前，发送方和接收方必须商定好秘钥，然后使双方都能保存好秘钥。其次如果一方的秘钥被泄露，那么加密信息也就不安全了。另外，每对用户每次使用对称加密算法时，都需要使用其他人不知道的唯一秘钥，这会使得收、发双方所拥有的钥匙数量巨大，密钥管理成为双方的负担。
3、非对称加密
非对称密钥加密也称为公钥加密，由一对公钥和私钥组成。公钥是从私钥提取出来的。可以用公钥加密，再用私钥解密，这种情形一般用于公钥加密，当然也可以用私钥加密，用公钥解密。常用于数字签名，因此非对称加密的主要功能就是加密和数字签名。
特征：
1）秘钥对，公钥(public key)和私钥(secret key)
2）主要功能：加密和签名
发送方用对方的公钥加密，可以保证数据的机密性（公钥加密）。
发送方用自己的私钥加密，可以实现身份验证（数字签名）。
3）公钥加密算法很少用来加密数据，速度太慢，通常用来实现身份验证。
常用的非对称加密算法
RSA：由 RSA公司发明，是一个支持变长密钥的公共密钥算法，需要加密的文件块的长度也是可变的；既可以实现加密，又可以实现签名。
DSA（Digital Signature Algorithm）：数字签名算法，是一种标准的 DSS（数字签名标准）。
ECC（Elliptic Curves Cryptography）：椭圆曲线密码编码。

请你回答一下git中Merge和rebase区别
参考回答：
Merge会自动根据两个分支的共同祖先和两个分支的最新提交进行一个三方合并，然后将合并中修改的内容生成一个新的 commit，即merge合并两个分支并生成一个新的提交,并且仍然后保存原来分支的commit记录

Rebase会从两个分支的共同祖先开始提取当前分支上的修改，然后将当前分支上的所有修改合并到目标分支的最新提交后面，如果提取的修改有多个，那git将依次应用到最新的提交后面。Rebase后只剩下一个分支的commit记录

请问你用过哪些设计模式，介绍一下单例模式的多线程安全问题
参考回答：
常见的设计模式如下：
单例模式：单例模式主要解决一个全局使用的类频繁的创建和销毁的问题。单例模式下可以确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。单例模式有三个要素：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。
工厂模式：工厂模式主要解决接口选择的问题。该模式下定义一个创建对象的接口，让其子类自己决定实例化哪一个工厂类，使其创建过程延迟到子类进行。
观察者模式：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
装饰器模式：对已经存在的某些类进行装饰，以此来扩展一些功能，从而动态的为一个对象增加新的功能。装饰器模式是一种用于代替继承的技术，无需通过继承增加子类就能扩展对象的新功能。使用对象的关联关系代替继承关系，更加灵活，同时避免类型体系的快速膨胀。
单例模式的多线程安全问题：
在单例模式的实现中，如果不采取任何措施，在多线程下是不安全的，可能会同时创建多个实例。因此，为了保证单例模式在多线程下的线程安全，一般采用下面几种方式实现单例模式：
1)饿汉式：基于class loader机制避免多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，可能会产生垃圾对象。

2)懒汉式：通过双重锁机制实现线程安全。

请问如何保证单例模式只有唯一实例？你知道的都有哪些方法？
参考回答：
单例的实现主要是通过以下两个步骤：
将该类的构造方法定义为私有方法，这样其他处的代码就无法通过调用该类的构造方法来实例化该类的对象，只有通过该类提供的静态方法来得到该类的唯一实例；

在该类内提供一个静态方法，当我们调用这个方法时，如果类持有的引用不为空就返回这个引用，如果类保持的引用为空就创建该类的实例并将实例的引用赋予该类保持的引用。

请你说一说OOP的设计模式的五项原则
参考回答：
1、单一职责原则
单一职责有2个含义，一个是避免相同的职责分散到不同的类中，另一个是避免一个类承担太多职责。减少类的耦合，提高类的复用性。
2、接口隔离原则
表明客户端不应该被强迫实现一些他们不会使用的接口，应该把胖接口中额方法分组，然后用多个接口代替它，每个接口服务于一个子模块。简单说，就是使用多个专门的接口比使用单个接口好很多。
该原则观点如下：
1）一个类对另外一个类的依赖性应当是建立在最小的接口上
2）客户端程序不应该依赖它不需要的接口方法。
3、开放-封闭原则
open模块的行为必须是开放的、支持扩展的，而不是僵化的。
closed在对模块的功能进行扩展时，不应该影响或大规模影响已有的程序模块。一句话概括：一个模块在扩展性方面应该是开放的而在更改性方面应该是封闭的。
核心思想就是对抽象编程，而不对具体编程。
4、替换原则
子类型必须能够替换掉他们的父类型、并出现在父类能够出现的任何地方。
主要针对继承的设计原则
1）父类的方法都要在子类中实现或者重写，并且派生类只实现其抽象类中生命的方法，而不应当给出多余的,方法定义或实现。
2）在客户端程序中只应该使用父类对象而不应当直接使用子类对象，这样可以实现运行期间绑定。
5、依赖倒置原则
上层模块不应该依赖于下层模块，他们共同依赖于一个抽象，即：父类不能依赖子类，他们都要依赖抽象类。
抽象不能依赖于具体，具体应该要依赖于抽象。

单例模式举例（常手撕）

class SingleTon
{
private:
SingleTon() {};
SingleTon(const SingleTon&) {}; // 禁止拷贝
SingleTon& operator=(const SingleTon&) {}; // 禁止赋值
static T* uniqueInstance;
static pthread_mutex_t mutex;
public:
static T* GetInstance()
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (uniqueInstance == nullptr)
{
uniqueInstance = new T();
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return uniqueInstance;
}
};
template <class T>
pthread_mutex_t SingleTon<T>::mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
template <class T>
T* SingleTon<T>::uniqueInstance = nullptr;