数据结构奇妙旅程之顺序表和链表

简介: 数据结构奇妙旅程之顺序表和链表

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一.顺序表

1.底层实现

首先我们要清楚,数据结构是一门逻辑十分清晰的学科,所以我们需要清楚的认识到每个结构的底层是什么,这样才能更好的掌握这个结构。

顺序表是用一段 物理地址连续 的存储单元依次存储数据元素的线性结构,一般情况下采用数组存储。在数组上完成 数据的增删查改。

2.构造方法

在集合框架中, ArrayList 是一个普通的类,实现了 List接口,并且ArrayList是一个泛型类

而ArrayList的构造方法如下所示

public class Text {
    public static void main(String[] args) {
         //无参
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //指定顺序表初始容量
        List<Integer> list1 = new ArrayList<>(20);
        list1.add(1);
        list1.add(11);
        //ArrayList(Collection<? extends E> c) 利用其他 Collection 构建 ArrayList
        List<Integer> list2 = new ArrayList<>(list1);
        
    }
}

3.常用方法

ArrayList是一个普通的类,实现了List接口,所以它实现了许多接口内的方法,博主现在为大家列举出一些常用的方法

List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //尾插入元素
        list.add(1);
        list.add(12);
        list.add(11);
        //指定位置插入参数为 位置 和 元素
        list.add(2,3);
        //顺序表长度
        list.size();
        //删除指定位置元素
        list.remove(2);
        //是否包含某个元素
        list.contains(4);
        //截取部分 list
        list.subList(0,1);
        //获取下标 index 位置元素
        list.get(2);
        //将下标 index 位置元素设置为 element
        list.set(3,9);
        //返回第一个 o 所在下标
        list.indexOf(8);
        //返回最后一个 o 的下标
        list.lastIndexOf(8);

4.Arrays的遍历方法

1.直接输出

 List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //尾插入元素
        list.add(1);
        list.add(12);
        list.add(11);
        System.out.println(list);

2.for循环和for-each

List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //尾插入元素
        list.add(1);
        list.add(12);
        list.add(11);
        System.out.println("for循环遍历");
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.print(list.get(i)+" ");
        }
        System.out.println();
        System.out.println("for-each循环遍历");
        for (Integer x:list) {
            System.out.print(x+" ");
        }

3.使用迭代器

List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //尾插入元素
        list.add(1);
        list.add(12);
        list.add(11);
        System.out.println("迭代器正序输出");
        Iterator<Integer>it = list.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            System.out.print(it.next()+" ");
        }
        System.out.println();
        System.out.println("迭代器逆序输出");
        ListIterator <Integer> it1 = list.listIterator(list.size());
        while (it1.hasPrevious()) {
            System.out.print(it1.previous()+" ");
        }
    }

5.实战演示

杨辉三角 力扣的118题,难度不大,感兴趣的朋友可以去尝试一下

解答代码如下

/*
        1
       1 1 
      1 2 1
     1 3 3 1
    1 4 6 4 1 
 由图可知每一行的第一个为1,最后一个也为一中间部分等于上一行的前一个加上上一行同一列的
 一个,并且最后一个也为一。
*/
class Solution {
    public List<List<Integer>> generate(int numRows) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        List<List<Integer>> ans = new ArrayList<>();
        list.add(1);//第一行
        ans.add(list);
        for(int i = 1;i < numRows;i++) {
            List<Integer> temp = new ArrayList<>();
            temp.add(1);//每一行的第一个都为一
             List<Integer> row =ans.get(i-1);//上一行
            for(int j = 1; j <i;j++) {
                int x = row.get(j)+row.get(j-1);//中间部分为上一行的前一个加上上一行同一列的一个
                temp.add(x);
            }
            temp.add(1);//一行的最后一个元素也为1
            ans.add(temp);
        }
        return ans;
    }
}

以上是博主解答这题的思路和代码,时间复杂度为O(n^2)如果你有更好的方法或者是不懂的地方都可以私聊博主,大家一起交流进步

二.链表

1.底层实现

链表是一种 物理存储结构上非连续 存储结构,数据元素的 逻辑顺序 是通过链表中的 引用链接 次序实现的,它的结构如下

当然链表的结构不仅仅是这一种其他还有1. 单向或者双向  2. 带头或者不带头  3. 循环或者非循环

虽然有这么多的链表的结构,但是我们重点掌握两种 :

无头单向非循环链表 结构简单 ,一般不会单独用来存数据。实际中更多是作为 其他数据结构的子结构 ,如

哈希桶、图的邻接表等等。另外这种结构在 笔试面试 中出现很多。

无头双向链表 :在 Java 的集合框架库中 LinkedList 底层实现就是无头双向循环链表。

2.无头单向非循环链表

无头单向非循环链表是一种数据结构,其特点是没有头节点、只有一个指向第一个节点的指针,而且最后一个节点的指针为空(NULL),形成一个单向链表的尾部。这意味着如果需要查找第一个节点,必须从指向第一个节点的指针开始遍历链表。此外,非循环链表是一个单向链表,从第一个节点开始一直到最后一个节点,而最后一个节点指向空(NULL),这样就可以避免链表中的死循环问题。

3.无头双向非循环链表

无头双向非循环链表是一种数据结构,它由多个节点组成,每个节点有两个指针,一个指向前一个节点,一个指向后一个节点。和单向链表不同的是,双向链表可以向前和向后遍历,而且插入和删除节点的操作比较方便。

无头表示链表没有头节点,也就是第一个节点就是链表的起始节点。非循环表示链表没有环,也就是最后一个节点的指针指向 NULL。

在无头双向非循环链表中,我们可以从任意一个节点开始遍历,也可以逆序遍历整个链表。双向链表比单向链表多了一个指针,所以它在一些场景下比单向链表更加方便,比如需要频繁地插入和删除节点时。但是,它也需要更多的内存空间来存储指针。

4.顺序表和链表之间的区别

   顺序表和链表是两种数据结构,它们的主要区别在于存储方式和操作效率不同:

  1. 存储方式不同:顺序表使用一组连续的存储单元存储数据,而链表则使用指针将一组零散的存储单元串联起来。
  2. 随机访问效率不同:顺序表通过下标可以直接访问任意位置的元素,时间复杂度为O(1),但插入和删除操作需要移动数据,时间复杂度为O(n)。而链表不能通过下标直接访问元素,插入和删除操作只需要修改指针,时间复杂度为O(1),但是随机访问需要遍历整个链表,时间复杂度为O(n)。
  3. 空间利用率不同:顺序表预先分配存储空间大小固定,当存储空间不够时需要重新分配内存,可能浪费内存。而链表通过动态分配内存,只在需要时才分配所需的存储空间,空间利用率较高。

总之,应根据实际需求选择合适的数据结构,如果需要频繁随机访问,可以选择顺序表;如果需要频繁插入和删除,可以选择链表。

5.链表面试题

1.给定一个链表,返回链表开始入环的第一个节点。 如果链表无环,则返回 NULL 链接

public class Solution {
    // 定义一个方法detectCycle,输入参数为链表头节点head,返回值类型为ListNode(链表节点)
    public ListNode detectCycle(ListNode head) {
        // 如果链表为空或只有一个元素,则没有环,直接返回null
        if(head == null || head.next == null) {
            return null;
        }
        // 初始化两个指针fast和slow,都指向链表头节点
        ListNode fast = head;
        ListNode slow = head;
        
        // 使用快慢指针进行遍历
        while(fast != null && fast.next != null) {
            // 慢指针每次前进一步
            slow = slow.next;
            // 快指针每次前进两步
            fast = fast.next.next;
 
            // 如果快慢指针相遇,则说明存在环
            if(slow == fast) {
                break;
            }
        }
 
        // 如果快指针遍历到链表末尾,说明不存在环,返回null
        if(fast == null || fast.next == null) {
            return null;
        }
 
        // 重新设置快指针fast到链表头节点,慢指针slow保持在相遇点
        fast = head;
 
        // 当快慢指针再次相遇时,相遇点即为环的起点
        while(slow != fast) {
            slow = slow.next;
            fast = fast.next;
        }
 
        // 返回环的起点
        return fast;
    }
}

2.链表的回文结构链接

public class PalindromeList {
    // 定义一个方法chkPalindrome,输入参数为链表头节点head,返回值类型为布尔值(true表示是回文链表,false表示不是)
    public boolean chkPalindrome(ListNode head) {
        // 如果链表为空,则直接返回true(空链表是回文链表)
        if(head == null ) {
            return true;
        }
        
        // 使用快慢指针找到链表的中间结点
        ListNode fast = head;
        ListNode slow = head;
        while(fast != null && fast.next != null) {
            fast = fast.next.next; // 快指针每次前进一步
            slow = slow.next;      // 慢指针每次前进一步
        }
 
        // 翻转链表后半部分
        ListNode cur = slow.next;
        while(cur != null) {
            ListNode curnext = cur.next;
            cur.next = slow;
            slow = cur;
            cur = curnext;
        }
 
        // 判断翻转后的链表与原链表前半部分是否相等
        while(head != slow) {
            if(head.val != slow.val) { // 如果两个节点的值不相等,则说明不是回文链表
                return false;
            }if(head.next != slow) {   // 奇数情况下,已经比较完所有节点,可以提前结束循环
                return true;
            }
            head = head.next;          // 头节点向后移动一位
            slow = slow.next;          // 反转后的尾节点向前移动一位
        }
        
        // 遍历结束后没有发现不相等的节点,说明是回文链表
        return true;
    }
}

3.将两个有序链表合并为一个新的有序链表并返回。新链表是通过拼接给定的两个链表的所有节点组成的。链接

 
public class Partition {
    // 定义一个方法partition,输入参数为链表头节点head和整数x,返回值类型为ListNode(链表节点)
    public ListNode partition(ListNode head, int x) {
        // 如果链表为空,则直接返回null
        if(head == null) {
            return null;
        }
        
        // 初始化两个指针de和dx,用于记录小于x的元素链表的尾节点和当前节点
        ListNode de = null;
        ListNode dx = null;
        // 初始化两个指针pe和px,用于记录大于等于x的元素链表的尾节点和当前节点
        ListNode pe = null;
        ListNode px = null;
        
        // 初始化一个指针cur,指向链表的头节点
        ListNode cur = head;
        
        // 遍历链表中的每个节点
        while(cur != null) {
            // 如果当前节点的值小于x
            if(cur.val < x) {
                // 如果小于x的元素链表尚未创建,则将当前节点设置为头节点和尾节点
                if(de == null) {
                    de = cur;
                    dx = cur;
                }else { // 否则将当前节点添加到小于x的元素链表的末尾
                    dx.next = cur;
                    dx = dx.next;
                }
            }else { // 如果当前节点的值大于等于x
                // 如果大于等于x的元素链表尚未创建,则将当前节点设置为头节点和尾节点
                if(pe == null) {
                    pe = cur;
                    px = cur;
                }else { // 否则将当前节点添加到大于等于x的元素链表的末尾
                    px.next = cur;
                    px = px.next;
                }
            }
            
            // 指针cur向后移动一位
            cur = cur.next;
        }
        
        // 如果不存在小于x的元素,则直接返回大于等于x的元素链表
        if(dx == null) {
            return pe;
        }
        
        // 将大于等于x的元素链表接到小于x的元素链表的末尾
        dx.next = pe;
        
        // 如果存在大于等于x的元素,则将其尾节点的next指针置为null
        if(pe != null) {
            px.next = null;
        }
        
        // 返回小于x的元素链表的头节点
        return de;
    }
}

三.结语

数据结构一门逻辑十分严谨的一门学科,而顺序表和链表都是十分基础的结构,也是后续学习的基础,所以应该要多花时间去搞清楚它的底层,好了本文到这里就结束了,感谢您的阅读,祝您一天愉快


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