Qz学算法-数据结构篇(表达式、递归)

简介: 数据结构的前缀、中缀、后缀表达式->(逆波兰表达式)和递归

前缀、中缀、后缀表达式->(逆波兰表达式)

1.前缀表达式(波兰表达式)

  • 前缀表达式又称波兰式,前缀表达式的运算符位于操作数之前
  • 举例说明:(3+4)×5-6对应的前缀表达式就是-×+3456

前缀表达式的计算机求值

从右至左扫描表达式,遇到数字时,将数字压入堆栈,遇到运算符时,弹出栈顶的两个数,用运算符对它们做相应的计算(栈顶元素和次顶元素),并将结果入栈:重复上述过程直到表达式最左端,最后运算得出的值即为表达式的结果

例如:(3+4)×5-6对应的前缀表达式就是**-×+3456,针对前缀表达式求值步骤如下:

  1. 从右至左扫描,将6、5、4、3压入堆栈
  2. 遇到+运算符,因此弹出3和4(3为栈顶元素,4为次顶元素),计算出3+4的值,得7再将7入栈
  3. 接下来是×运算符,因此弹出7和5,计算出7×5=35,将35入栈
  4. 最后是-运算符,计算出35-6的值,即29,由此得出最终结果

2.中缀表达式

  • 中缀表达式就是常见的运算表达式,如(3+4)×5-6
  • 中缀表达式的求值是我们人最熟悉的,但是对计算机来说却不好操作,因此,在计算结果时,往往会将中缀表达式转成其它表达式来操作(一般转成后缀表达式)

3.后缀表达式

  • 后缀表达式又称逆波兰表达式,与前缀表达式相似,只是运算符位于操作数之后
  • 中举例说明:(3+4)×5-6对应的后缀表达式就是34+5×6-
  • 再比如
正常的表达式 逆波兰表达式
a+b a b +
a+(b-c) a b c - +
a+(b-c)*d a b c - d * +
a+d*(b-c) a d b c - * +
a=1+3 a 1 3 + =

后缀表达式的计算机求值

从左至右扫描表达式,遇到数字时,将数字压入堆栈,遇到运算符时,弹出栈顶的两个数,用运算符对它们做相应的计算(次顶元素和栈顶元素),并将结果入栈:重复上述过程直到表达式最右端,最后运算得出的值即为表达式的结果

例如:(3+4)×5-6对应的后缀表达式就是34+5×6-,针对后缀表达式求值步骤如下:

  1. 从左至右扫描,将3和4压入堆栈:
  2. 遇到+运算符,因此弹出4和3(4为栈顶元素,3为次顶元素),计算出3+4的值,得7,再将7入栈:
  3. 将5入栈:
  4. 接下来是×运算符,因此弹出5和7,计算出7×5=35,将35入栈:
  5. 将6入栈:
  6. 最后是-运算符,计算出35-6的值,即29,由此得出最终结果

逆波兰计算器

输入一个逆波兰表达式,使用栈(Stack),计算其结果

支持小括号和多位数整数,因为这里我们主要讲的是数据结构,因此计算器进行简化,只支持对整数的计算。

思路分析

代码完成

public class PolandNotation {
    public static void main(String[] args) {
        //先定义一个逆波兰表达式
        //(3+4)*5-6 => 3 4 +5 * 6 -
        //说明为了方便,逆波兰表达式的数字和符号使用空格隔开
        String suffixExpression = "3 4 + 5 * 6 -";
        //思路
        //1.先将"3 4 +5 * 6 -" => 放到ArrayList中
        //2.将ArrayList 传递给一个方法,遍历ArrayList配合栈完成计算
        List<String> list = getListString(suffixExpression);
        int res = calculate(list);
        System.out.println("计算结果是="+res);
    }
    //将一个逆波兰表达式,依次将数据和运算符放入到ArrayList中
    public static List<String> getListString(String suffixExpression) {
        //将suffixExpression分割
        String[] split = suffixExpression.split(" ");
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        for (String ele : split) {
            list.add(ele);
        }
        return list;
    }
    //完成对逆波兰表达式的运算
    /**
     * 1. 从左至右扫描,将3和4压入堆栈:
     * 2. 遇到+运算符,因此弹出4和3(4为栈顶元素,3为次顶元素),计算出3+4的值,得7,再将7入栈:
     * 3. 将5入栈:
     * 4. 接下来是×运算符,因此弹出5和7,计算出7×5=35,将35入栈:
     * 5. 将6入栈:
     * 6. 最后是-运算符,计算出35-6的值,即29,由此得出最终结果
     */
    public static int calculate(List<String> ls) {
        //创建给栈,只需要一个栈即可
        Stack<String> stack = new Stack<>();
        //遍历 ls
        for (String item : ls) {
            //这里使用正则表达式来取出数
            if (item.matches("\d+")) {//匹配多位数
                //入栈
                stack.push(item);
            } else {
                //pop出两个数,并运算,在入栈
                int num2 = Integer.parseInt(stack.pop());
                int num1 = Integer.parseInt(stack.pop());
                int res = 0;
                if (item.equals("+")) {
                    res = num1 + num2;
                } else if (item.equals("-")) {
                    res = num1 - num2;
                } else if (item.equals("*")) {
                    res = num1 * num2;
                } else if (item.equals("/")) {
                    res = num1 / num2;
                }else {
                    throw new RuntimeException("运算符有问题");
                }
                //把res 入栈
                stack.push(""+res);
            }
        }
        ///最后留在stack的数据是运算结构
        return Integer.parseInt(stack.pop());
    }
}
复制代码

4.中缀转后缀表达式

大家看到,后缀表达式适合计算式进行运算,但是人却不太容易写出来,尤其是表达式很长的情况下,因此在开发中,我们需要将中缀表达式转成后缀表达式

操作步骤

  1. 初始化两个栈:运算符栈s1和储存中间结果的栈s2;
  2. 从左至右扫描中缀表达式:
  3. 遇到操作数时,将其压s2:
  4. 遇到运算符时,比较其与s1栈顶运算符的优先级:
  1. 如果s1为空,或栈顶运算符为左括号“(",则直接将此运算符入栈:
  2. 否则,若优先级比栈顶运算符的高,也将运算符压入s1:
  3. 否则,将s1栈顶的运算符弹出并压入到s2中,再次转到(4.1)与s1中新的栈顶运算符相比较;
  1. 遇到括号时:
  1. 如果是左括号"()",则直接压入s1
  2. 如果是右括号“)”,则依次弹出s1栈顶的运算符,并压入s2,直到遇到左括号为止,此时将这一对括号丢弃
  1. 重复步骤2至5,直到表达式的最右边
  2. 将s1中剩余的运算符依次弹出并压入s2
  3. 依次弹出s2中的元素并输出,结果的逆序即为中缀表达式对应的后缀表达式

举例说明

将中缀表达式“1+((2+3)×4)-5”转换为后缀表达式的过程如下

扫描到得元素 s2(栈底->栈顶) s1(栈底->栈顶) 说明
1 1 数字,直接入栈
+ 1 + s1为空,运算符直接入栈
( 1 + ( 左括号,直接入栈
( 1 + ( ( 同上
2 1 2 + ( ( 数字
+ 1 2 + ( ( + s1栈顶为左括号,运算符直接入栈
3 1 2 3 + ( ( + 数字
) 1 2 3 + + ( 右括号,弹出运算符直至遇到左括号
* 1 2 3 + + ( * 右括号,弹出运算符直至遇到左括号
4 1 2 3 + 4 + ( * 数字
) 1 2 3 + 4 * + 右括号,弹出运算符直至遇到左括号
- 1 2 3 + 4 * + - -与+优先级相同,因此弹出+,再压入-
5 1 2 3 + 4 * + 5 - 数字
到达最右端 1 2 3 + 4 * + 5 - s1中剩余的运算符

因此结果为:

" 1 2 3 + 4 * + 5 -"

代码实现

public class PolandNotation {
    public static void main(String[] args) {
        //完成将一个中缀表达式转成后缀表达式的功能
        //说明
        //1.    1+((2+3)×4)-5 => " 1 2 3 + 4 * + 5 -"
        //2.因为直接对 str 进行操作 不方便 因此先将1+((2+3)×4)-5 => 中缀表达式对应得List
        //  即"1+((2+3)×4)-5" = >ArrayList  [1,+,(,(,2,+,3,),×,4,),-,5]
        //3.将得到的中缀表达式对应的List => 后缀表达式对应的List
        //  即ArrayList [1, +, (, (, 2, +, 3, ), ×, 4, ), -, 5] => [1, 2, 3, + 4, *, +, 5, -]
        String expression = "1+((2+3)*4)-5";
        List<String> infixExpression = toInfixExpressionList(expression);
        System.out.println("中缀表达式对应的List="+infixExpression);
        List<String> suffixExpression = parseSuffixExpressionList(infixExpression);
        System.out.println("后缀表达式对应的List="+suffixExpression);
        //先定义一个逆波兰表达式
        //(3+4)*5-6 => 3 4 +5 * 6 -
        //说明为了方便,逆波兰表达式的数字和符号使用空格隔开
        //String suffixExpression = "3 4 + 5 * 6 -";
        //思路
        //1.先将"3 4 +5 * 6 -" => 放到ArrayList中
        //2.将ArrayList 传递给一个方法,遍历ArrayList配合栈完成计算
        //List<String> list = getListString(suffixExpression);
        int res = calculate(suffixExpression);
        System.out.println("计算结果是=" + res);
    }
    //  即ArrayList [1, +, (, (, 2, +, 3, ), ×, 4, ), -, 5] => [1, 2, 3, + 4, *, +, 5, -]
    //方法: 中缀表达式转成后缀表达式的
    public static List<String> parseSuffixExpressionList(List<String> ls) {
        //定义两个栈
        Stack<String> s1 = new Stack<>();//符号栈
        //说明:因为s2这个栈,在整个转换过程中,没有pop操作,而且后面我们还需要逆序输出
        //因此比较麻烦,这里我们就不用Stack<String>直接使用List<String>s2
        //Stack<String> s2 = new Stack<>();//存储中间结果得栈s2
        List<String> s2 = new ArrayList<>();//存储中间结果得栈s2
        //遍历ls
        for (String item : ls) {
            //如果是一个数,加入到s2
            if (item.matches("\d+")) {
                s2.add(item);
            } else if (item.equals("(")) {
                s1.push(item);
            } else if (item.equals(")")) {
                //如果是右括号“)”,则依次弹出s1栈顶的运算符,并压入s2,直到遇到左括号为止,此时将这一对括号丢弃
                while (!s1.peek().equals("(")) {
                    s2.add(s1.pop());
                }
                s1.pop();//将 ( 弹出s1栈,消除小括号
            } else {
                //当item的优先级小于等于s1栈顶运算符,将s1栈顶的运算符弹出并加入到s2中,再次转到(4.1)与s1中新的栈顶运算符相比较
                //问题:缺少一个比较优先级高低的办法
                while (s1.size() != 0 && Operation.getValue(s1.peek())>=Operation.getValue(item)){
                    s2.add(s1.pop());
                }
                //还需要将item压入栈
                s1.push(item);
            }
        }
        //将s1中剩余的运算符依次弹出并加入s2
        while(s1.size() != 0){
            s2.add(s1.pop());
        }
        return s2; //注意因为是存放到List,因此按顺序输出就是对应的后缀表达式对应的Lst
    }
    //方法:将中缀表达式转成对应得List
    public static List<String> toInfixExpressionList(String s) {
        //定义一个List,存放中缀表达式 对应得内容
        List<String> ls = new ArrayList<String>();
        int i = 0;//这个是一个指针,用于遍历 中缀表达式字符串
        String str; //对多位数得拼接
        char c;//没遍历到一个字符,就放入到c
        do {
            //如果c是一个非数字,我们就需要加入到ls
            if ((c = s.charAt(i)) < 48 || (c = s.charAt(i)) > 57) {
                ls.add("" + c);
                i++;//i需要后移
            } else { //如果是一个树,需要考虑多位数
                str = "";//先将str 置成""
                while (i < s.length() && (c = s.charAt(i)) >= 48 && (c = s.charAt(i)) <= 57) {
                    str += c;//拼接
                    i++;
                }
                ls.add(str);
            }
        } while (i < s.length());
        return ls;
    }
    //将一个逆波兰表达式,依次将数据和运算符放入到ArrayList中
    public static List<String> getListString(String suffixExpression) {
        //将suffixExpression分割
        String[] split = suffixExpression.split(" ");
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        for (String ele : split) {
            list.add(ele);
        }
        return list;
    }
    //完成对逆波兰表达式的运算
    /**
     * 1. 从左至右扫描,将3和4压入堆栈:
     * 2. 遇到+运算符,因此弹出4和3(4为栈顶元素,3为次顶元素),计算出3+4的值,得7,再将7入栈:
     * 3. 将5入栈:
     * 4. 接下来是×运算符,因此弹出5和7,计算出7×5=35,将35入栈:
     * 5. 将6入栈:
     * 6. 最后是-运算符,计算出35-6的值,即29,由此得出最终结果
     */
    public static int calculate(List<String> ls) {
        //创建给栈,只需要一个栈即可
        Stack<String> stack = new Stack<>();
        //遍历 ls
        for (String item : ls) {
            //这里使用正则表达式来取出数
            if (item.matches("\d+")) {//匹配多位数
                //入栈
                stack.push(item);
            } else {
                //pop出两个数,并运算,在入栈
                int num2 = Integer.parseInt(stack.pop());
                int num1 = Integer.parseInt(stack.pop());
                int res = 0;
                if (item.equals("+")) {
                    res = num1 + num2;
                } else if (item.equals("-")) {
                    res = num1 - num2;
                } else if (item.equals("*")) {
                    res = num1 * num2;
                } else if (item.equals("/")) {
                    res = num1 / num2;
                } else {
                    throw new RuntimeException("运算符有问题");
                }
                //把res 入栈
                stack.push("" + res);
            }
        }
        ///最后留在stack的数据是运算结构
        return Integer.parseInt(stack.pop());
    }
}
//编写一个类Operation 可以返回一个运算符 对应的优先级
class Operation {
    private static int ADD = 1;
    private static int SUB = 1;
    private static int MUL = 2;
    private static int DIV = 2;
    //写一个方法,返回对应的优先级数字
    public static int getValue(String operation){
        int result = 0;
        switch (operation){
            case "+":
                result = ADD;
                break;
            case "-":
                result = SUB;
                break;
            case "*":
                result = MUL;
                break;
            case "/":
                result = DIV;
                break;
            default:
                System.out.println("不存在该运算符");
                break;
        }
        return result;
    }
}
复制代码

递归

需求引入

网络异常,图片无法展示
|
看个实际应用场景,迷宫问题(回溯),递归(Recursion)

1.递归的概念

简单的说:递归就是方法自己调用自己,每次调用时传入不同的变量递归有助于编程者解决复杂的问题,同时可以让代码变得简洁。

2.递归调用机制

  • 打印问题
public static void test ( int n){
        if (n > 2) {
            test(n - 1);
        }
        System.out.println("n=" + n);
    }
复制代码
  • 阶乘问题
public static int factorial(int n) {
        if (n == 1) {
            return 1;
        } else {
            return factorial(n - 1) * n;
            /*
            n=3
            factorial(3-1)*3  =>factorial(2-1)*2*3 =>factorial(1)*2*3
             */
        }
    }
复制代码

uTools_1677241467123.png


3.递归能解决什么样的问题

  • 各种数学问题如:8皇后问题,汉诺塔,阶乘问题,迷宫问题,球和篮子的问题(google编程大赛)
  • 各种算法中也会使用到递归,比如快排,归并排序,二分查找,分治算法等
  • 将用栈解决的问题->第归代码比较简洁

4.递归需要遵守的重要规则

  • 执行一个方法时,就创建一个新的受保护的独立空间(栈空间)
  • 方法的局部变量是独立的,不会相互影响,比如n变量
  • 如果方法中使用的是引用类型变量(比如数组),就会共享该引用类型的数据
  • 归必须向退出递归的条件逼近,否则就是无限递归,出现StackOverflowError,死归了:)
  • 当一个方法执行完毕,或者遇到return.,就会返回,遵守谁调用,就将结果返回给谁,同时当方法执行完毕或者返回时,该方法也就执行完毕。

迷宫回溯问题

  • 小球得到的路径,和程序员设置的找路策略有关即:找路的上下左右的顺序相关
  • 再得到小球路径时,可以先使用(下右上左),再改成(上右下左),看看路径是不是有变化
  • 测试回溯现象
  • 思考:如何求出最短路径?

代码实现

public class Maze {
    public static void main(String[] args) {
        //先创建一个二维数组,模拟迷宫
        //地图
        int[][] map = new int[8][7];
        //使用1表示墙
        //上下全部置为1
        for (int i = 0; i < 7; i++) {
            map[0][i] = 1;
            map[7][i] = 1;
        }
        //左右全部为1
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            map[i][0] = 1;
            map[i][6] = 1;
        }
        //设置挡板
        map[3][1] = 1;
        map[3][2] = 1;
        //输出地图
        System.out.println("地图的情况");
        for (int i = 0; i < map.length; i++) {
            for (int j = 0; j < map[i].length; j++) {
                System.out.print(map[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
        //使用递归回溯给小球找路
        setWay1(map,1,1);
        //输出新的地图,小球走过,并标识过的地图
        System.out.println("小球走过,并标识过的地图");
        for (int i = 0; i < map.length; i++) {
            for (int j = 0; j < map[i].length; j++) {
                System.out.print(map[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
    }
    //使用递归回溯来给小球找路
    /*
    1.map表示地图
    2.i,j表示从地图的哪个位置开始出发(1,1)
    3.如果小球能到map[6][5]位置,则说明通路找到,
    4.约定:当map[i][j]为0表示该点没有走过当为1表示墙;2表示通路可以走;3表示该点已经走过,但是走不通
    5.在走迷宫时,需要确定一个策略(方法) 下->右->上->左 ,如果该点走不通在回溯
     */
    /**
     * @param map 地图
     * @param i   从哪个位置开始找
     * @param j
     * @return 如果找到通路,就返回true,否则返回false
     */
    public static boolean setWay1(int[][] map, int i, int j) {
        if (map[6][5] == 2) { //同路已经找到
            return true;
        } else {
            if (map[i][j] ==0){ //如果当前的点还没有走过
                //按照策略下->右->上->左
                map[i][j]=2;//假定该点是可以走通
                if (setWay(map,i+1,j)){ //向下走
                    return true;
                }else if (setWay1(map,i,j+1)) { //向右走
                    return true;
                }else if (setWay1(map,i-1,j)) { //向上走
                    return true;
                }else if(setWay1(map,i,j-1)){ //向左走
                    return true;
                }else{
                    //说明改点走不通,是死路
                    map[i][j]=3;
                    return false;
                }
            }else{ //如果map[i][j] != 0,可能是1,2,3
                return false;
            }
        }
    }
}
复制代码

关于回溯

如果我在设置起点为1,1,而map[3][1] = 1; map[3][2] = 1; map[4][1] = 1;map[4][2] = 1;,这样只有上下两个格子可以移动,这时运行完就会把走过的路径设置为3

最短路径

//修改找路的策略  改成上->右->下->左
public static boolean setWay2(int[][] map, int i, int j) {
    if (map[6][5] == 2) { //同路已经找到
        return true;
    } else {
        if (map[i][j] == 0) { //如果当前的点还没有走过
            //按照策略下->右->上->左
            map[i][j] = 2;//假定该点是可以走通
            if (setWay2(map, i - 1, j)) { //向上走
                return true;
            } else if (setWay2(map, i, j + 1)) { //向右走
                return true;
            } else if (setWay2(map, i + 1, j)) { //向下走
                return true;
            } else if (setWay2(map, i, j - 1)) { //向左走
                return true;
            } else {
                //说明改点走不通,是死路
                map[i][j] = 3;
                return false;
            }
        } else { //如果map[i][j] != 0,可能是1,2,3
            return false;
        }
    }
}
复制代码

最简单的方法就是对上下左右的找路策略进行穷举,然后比较哪个最短即可

八皇后问题

需求引入

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。


uTools_1677241517589.png

思路分析

  1. 第一个皇后先放第一行第一列
  2. 第二个皇后放在第二行第一列、然后判断是否OK,如果不0K,继续放在第二列、第三列、依次把所有列都放完,找到一个合适
  3. 继续第三个皇后,还是第一列、第二列直到第8个皇后也能放在一个不冲突的位置,算是找到了一个正确解
  4. 当得到一个正确解时,在栈回退到上一个栈时,就会开始回溯,即将第一个皇后,放到第一列的所有正确解,全部得到
  5. 然后回头继续第一个皇后放第二列,后面继续循环执行1,2,3的步骤

说明

理论上应该创建一个二维数组来表示棋盘,但是实际上可以通过算法,用一个一维数组即可解决问题.arr[8]={0,4,7,5,2,6,1,3} //对应arr下标 表示第几行,即第几个皇后,arr[i]=val,val表示第i+1个皇后,放在第i+1行的第val+1列

代码实现

public class Queue8 {
    //定义一个max表示共有多少个皇后
    int max =8;
    //定义数组array,保存皇后防止位置的结果,比如  arr[8]={0,4,7,5,2,6,1,3}
    int [] array = new int [max];
    static int count = 0;
    public static void main(String[] args) {
        Queue8 queue8 = new Queue8();
        queue8.check(0);
        System.out.printf("一共有%d解法",count);
    }
    //编写一个方法,放置第n个皇后
    //特别注意:check是每一次递归时,进入到check中都有for(int i=0;i<max;i++)
    private void check(int n){
        if (n==max){ //n=8,其实8个皇后就已然放好
            print();
            return;
        }
        //依次放入皇后,并判断是否重复
        for (int i = 0; i < max; i++) {
            //先把当前这个皇后 n 放到该行的第1列
            array[n] = i;
            //判断当防止第n个皇后i列时,是否冲突
            if (judge(n)){ //不冲突
                //接着放n+1个皇后,即开始递归
                check(n+1);
            }
            //如果冲突,就继续执行array[n] = i即将第n个皇后放置在本行的后移的一个位置
        }
    }
    //查看当我们放置第个皇后,就去检测该皇后是否和前面已经摆放的皇后冲突
    /**
     *
     * @param n 表示第n个皇后
     * @return
     */
    private boolean judge(int n){
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            //说明
            //1.array[i]==array[n]表示判断第n个皇后是否和前面的n-1个皇后在同一列
            //2.Math.abs(n-1)==Math.abs(array[n]-array[i])表示判断第个皇后是否和第i皇后是否在同一斜线
            if (array[i]==array[n]||Math.abs(i-n)==Math.abs(array[i]-array[n])){
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
    //写一个方法,可以将皇后摆放的位置输出
    private void print(){
        count++;
        for (int i = 0; i < array.length;i++) {
            System.out.print(array[i]+" ");
        }
        System.out.println();
    }
}



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