常见数据结构及实现原理

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我是靠谱客的博主重要巨人，最近开发中收集的这篇文章主要介绍常见数据结构及实现原理，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

https://blog.csdn.net/u011497622/article/details/81284192

https://www.cnblogs.com/wanghuaijun/p/7302303.html

https://blog.csdn.net/yeyazhishang/article/details/82353846

一、线性表

1.数组

2.链表

二、栈与队列

三、树与二叉树

1.树

2.二叉树基本概念

3.二叉查找树

4.平衡二叉树

5.红黑树

四、图

五、堆

六、散列表（Hash）

一.线性表

线性表是最常用且最简单的一种数据结构，它是n个数据元素的有限序列。实现线性表的方式一般有两种，一种是使用数组存储线性表的元素，即用一组连续的存储单元依次存储线性表的数据元素。另一种是使用链表存储线性表的元素，即用一组任意的存储单元存储线性表的数据元素（存储单元可以是连续的，也可以是不连续的）。

数组实现

数组是可以再内存中连续存储多个元素的结构，在内存中的分配也是连续的，数组中的元素通过数组下标进行访问，数组下标从0开始，是一种大小固定的数据结构，对线性表的所有操作都可以通过数组来实现。虽然数组一旦创建之后，它的大小就无法改变了，但是当数组不能再存储线性表中的新元素时，我们可以创建一个新的大的数组来替换当前数组。这样就可以使用数组实现动态的数据结构。

数组优点：
1、按照索引查询元素速度快
2、按照索引遍历数组方便

数组缺点：
1、数组的大小固定后就无法扩容了
2、数组只能存储一种类型的数据
3、添加，删除的操作慢，因为要移动其他的元素。

适用场景：
频繁查询，对存储空间要求不大，很少增加和删除的情况。

代码1 创建一个更大的数组来替换当前数组

int[] oldArray = new int[10];

int[] newArray = new int[20];

for (int i = 0; i < oldArray.length; i++) {
    newArray[i] = oldArray[i];
}

// 也可以使用System.arraycopy方法来实现数组间的复制        
// System.arraycopy(oldArray, 0, newArray, 0, oldArray.length);

oldArray = newArray;

代码2 在数组位置index上添加元素e

//oldArray 表示当前存储元素的数组
//size 表示当前元素个数
public void add(int index, int e) {

    if (index > size || index < 0) {
        System.out.println("位置不合法...");
    }

    //如果数组已经满了 就扩容
    if (size >= oldArray.length) {
        // 扩容函数可参考代码1
    }

    for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
        oldArray[i + 1] = oldArray[i];
    }

    //将数组elementData从位置index的所有元素往后移一位
    // System.arraycopy(oldArray, index, oldArray, index + 1,size - index);

    oldArray[index] = e;

    size++;
}

上面简单写出了数组实现线性表的两个典型函数，具体我们可以参考Java里面的ArrayList集合类的源码。数组实现的线性表优点在于可以通过下标来访问或者修改元素，比较高效，主要缺点在于插入和删除的花费开销较大，比如当在第一个位置前插入一个元素，那么首先要把所有的元素往后移动一个位置。为了提高在任意位置添加或者删除元素的效率，可以采用链式结构来实现线性表。

链表

链表是一种物理存储单元上非连续、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的。链表由一系列节点组成，这些节点不必在内存中相连。每个节点由数据部分Data和链部分Next，Next指向下一个节点，这样当添加或者删除时，只需要改变相关节点的Next的指向，效率很高。

链表的优点：
链表是很常用的一种数据结构，不需要初始化容量，可以任意加减元素；
添加或者删除元素时只需要改变前后两个元素结点的指针域指向地址即可，所以添加，删除很快；

链表缺点：
因为含有大量的指针域，占用空间较大；
查找元素需要遍历链表来查找，非常耗时。

适用场景：
数据量较小，需要频繁增加，删除操作的场景

单链表的结构

下面主要用代码来展示链表的一些基本操作，需要注意的是，这里主要是以单链表为例，暂时不考虑双链表和循环链表。

代码3 链表的节点

class Node<E> {

    E item;
    Node<E> next;

    //构造函数
    Node(E element) {
       this.item = element;
       this.next = null;
   }
}

代码4 定义好节点后，使用前一般是对头节点和尾节点进行初始化

//头节点和尾节点都为空 链表为空
Node<E> head = null;
Node<E> tail = null;

代码5 空链表创建一个新节点

//创建一个新的节点 并让head指向此节点
head = new Node("nodedata1");

//让尾节点也指向此节点
tail = head;

代码6 链表追加一个节点

//创建新节点 同时和最后一个节点连接起来
tail.next = new Node("node1data2");

//尾节点指向新的节点
tail = tail.next;

代码7 顺序遍历链表

Node<String> current = head;
while (current != null) {
    System.out.println(current.item);
    current = current.next;
}

代码8 倒序遍历链表

static void printListRev(Node<String> head) {
//倒序遍历链表主要用了递归的思想
    if (head != null) {
        printListRev(head.next);
        System.out.println(head.item);
    }
}

代码单链表反转

//单链表反转 主要是逐一改变两个节点间的链接关系来完成
static Node<String> revList(Node<String> head) {

    if (head == null) {
        return null;
    }

    Node<String> nodeResult = null;

    Node<String> nodePre = null;
    Node<String> current = head;

    while (current != null) {

        Node<String> nodeNext = current.next;

        if (nodeNext == null) {
            nodeResult = current;
        }

        current.next = nodePre;
        nodePre = current;
        current = nodeNext;
    }

    return nodeResult;
}

上面的几段代码主要展示了链表的几个基本操作，还有很多像获取指定元素，移除元素等操作大家可以自己完成，写这些代码的时候一定要理清节点之间关系，这样才不容易出错。

链表的实现还有其它的方式，常见的有循环单链表，双向链表，循环双向链表。 循环单链表 主要是链表的最后一个节点指向第一个节点，整体构成一个链环。 双向链表 主要是节点中包含两个指针部分，一个指向前驱元，一个指向后继元，JDK中LinkedList集合类的实现就是双向链表。 循环双向链表 是最后一个节点指向第一个节点。

JAVA中常用的数据结构主要有这样几种分类：

1. List：可存储相同的值（确切讲是a.equals(b)时，二者都可存储）。挑选适宜连续存储的ArrayList和链式存储的LinkedList进行介绍。

2. Set：不可存储相同值。挑选线程不安全的HashSet和线程安全的ConcurrentHashSet进行介绍。

3. Map：存储key-value形式的数据。挑选线程不安全的HashMap和线程安全的ConcurrentHashMap进行介绍。

二.栈和队列

栈和队列也是比较常见的数据结构，是比较特殊的线性表，

栈的访问、插入和删除元素只能在栈顶进行；队列的元素只能从队列尾插入，从队列头访问和删除。

栈

栈是限制插入和删除在末端（栈顶）进行的表，基本操作有push(进栈)和pop(出栈)，前者相当于插入，后者相当于删除最后一个元素。栈又叫作LIFO(Last In First Out)表，即后进先出表。

一道经典题目，加深对栈的理解。

答案是C，其中的原理可以好好想一想。如果是3先出栈，那进栈顺序肯定是6543，那出栈肯定是5先出。

栈也是一个表，任何实现表的方法都能实现栈。JDK可以使用LinkedList来进行栈的所有操作。

队列

队列是一种特殊的线性表，只允许在表的前端（front队头）进行删除操作，表的后端（rear队尾）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。先进先出表。

队列示意图

可以使用链表来实现队列，下面代码简单展示了利用LinkedList来实现队列类。

代码9 简单实现队列类

public class MyQueue<E> {

    private LinkedList<E> list = new LinkedList<>();

    // 入队
    public void enqueue(E e) {
        list.addLast(e);
    }

    // 出队
    public E dequeue() {
        return list.removeFirst();
    }
}

普通的队列是一种先进先出的数据结构，而优先队列中，元素都被赋予优先级。当访问元素的时候，具有最高优先级的元素最先被删除。优先队列在生活中的应用还是比较多的，比如医院的急症室为病人赋予优先级，具有最高优先级的病人最先得到治疗。在Java中，类PriorityQueue就是优先队列的实现类，具体可以去阅读源码。