JAVA資料結構與演算法（一）

阿新 • • 發佈：2020-08-06

經典考題：
1. 字串匹配問題
  
  1）有一個字串 str1="abdbciauociebufebcdlkjsncklds"，和一個子字串 str2="fe";
  
  2）現在要判斷str1是否含有str2,如果存在，返回第一次出現的位置，如果沒有，則返回-1。
  
  3）要求用最快的速度完成匹配
  
  該資料用於存放資料，模擬佇列
  
  · 暴力匹配 [簡單，但是效率低]
  · KMP演算法《部分匹配表》
2. 漢諾塔
3. 八皇后問題（分治演算法）

資料結構

包括線性結構和非線性結構

1）線性結構特點是資料元素之間存在一對一的線性關係。

2）線性結構有兩種不同的儲存結構，即順序儲存結構（陣列，儲存元素連續）和鏈式儲存結構（連結串列，元素不一定連續）。順序儲存的線性表稱為順序表。

3）線性結構常見有：陣列，佇列，連結串列和棧。

非線性結構包括：二維陣列、多維陣列，廣義表，樹結構，圖結構

演算法的複雜度分析
1. 時間複雜度分析

程式碼實現

1）佇列操作

package queue;

import java.util.Scanner;

public class QueueOp {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
        char key = ' ';
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        // 輸出佇列
        while (loop) {
            System.out.println("s(show):顯示佇列");
            System.out.println("e(exit):退出程式");
            System.out.println("a(add):新增資料到佇列");
            System.out.println("g(get):從佇列取出資料");
            System.out.println("l(location):顯示佇列指定位置資料");
            key = scanner.next().charAt(0);

            switch (key) {
                case 's':
                    queue.ShowQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("輸出一個數");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = queue.outQueue();
                        System.out.printf("取出的資料是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                case 'l':
                    int appoint = scanner.nextInt();
                    queue.ShowAppoint(appoint);
            }
        }


    }

}

// 初始化
class ArrayQueue {
    /**
     * 變數宣告：
     * 1 陣列最大容量
     * 2 佇列頭
     * 3 佇列尾
     * 4 佇列陣列（一維）
     */
    private int MaxSize;
    private int front;
    private int rear;
    private int[] queue;

    public ArrayQueue(int MaxSize) {
        // 對宣告的變數進行初始化
        this.MaxSize = MaxSize;
        front = -1;
        rear = -1;
        queue = new int[MaxSize];
    }

    // 判斷佇列是否滿
    public boolean isFull() {
        return rear == MaxSize;
    }

    // 判斷佇列是否為空
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    // 加資料
    public void addQueue(int n) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("佇列滿，不能加入資料~");
            return;
        }
        rear++; //讓rear後移
        queue[rear] = n;

    }

    // 取資料
    public int outQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("佇列空，不能取資料~");
        }
        front++; //讓front後移
        return queue[front];
    }

    // 顯示佇列所有資料
    public void ShowQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("佇列空，無資料~");
        }
        int t = -1;
        t++; //讓front後移
        System.out.printf("queue [%d]=%d/t", t, queue[t]);
    }

    //顯示佇列指定位置資料
    public void ShowAppoint(int appoint) {
        if (appoint <= -1 || appoint >= MaxSize) {
            throw new RuntimeException("佇列空，無資料~");
        }
        int t = -1;
        t++; //讓front後移
        System.out.printf("queue [%d]=%d\n", t, queue[t]);
    }
}

2）環形佇列

關鍵點：

　　1）int[] arr 是定義一個整型陣列當佇列

　　2）maxSize是陣列的最大容量

　　(這裡規定，滿佇列時元素的個數是maxSize-1)

　　3）front指向佇列的第一個元素，也就是說 array[front] 是佇列的第一個元素

　　4）rear指向佇列的最後一個元素，初值為0

　　5）佇列滿的條件：(rear + 1) % maxSize == front

　　佇列為空的條件： rear == front

package queue;

import java.util.Scanner;

public class CircleQueue {
    public static void main(String[] args) {
        //測試一把
        System.out.println("測試陣列模擬環形佇列的案例~~~");

        // 建立一個環形佇列
        CircleArray queue = new CircleArray(4); //說明設定4，其佇列有效資料最大是3
        char key = ' '; // 接收使用者輸入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
        boolean loop = true;
        // 輸出一個選單
        while (loop) {
            System.out.println("s(show): 顯示佇列");
            System.out.println("e(exit): 退出程式");
            System.out.println("a(add): 新增資料到佇列");
            System.out.println("g(get): 從佇列取出資料");
            System.out.println("h(head): 檢視佇列頭的資料");
            key = scanner.next().charAt(0);// 接收一個字元
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("輸出一個數");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g': // 取出資料
                    try {
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的資料是 %d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h': // 檢視佇列頭的資料
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("佇列頭的資料是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e': // 退出
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程式退出~~");
    }

}


class CircleArray {
    private int maxSize; // 表示陣列的最大容量
    //front 變數的含義做一個調整：front就指向佇列的第一個元素，也就是說arr[front]就是佇列的第一個元素
    //front 初始值= 0
    private int front;
    //rear 變數的含義做一個調整：rear 指向佇列的最後一個元素的後一個位置.因為希望空出一個空間做為約定
    //rear 初始值= 0
    private int rear; // 佇列尾
    private int[] arr; // 該資料用於存放資料，模擬佇列

    public CircleArray(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
    }

    // 判斷佇列是否滿
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    // 判斷佇列是否為空
    public boolean isEmpty() {
        return rear == front;
    }

    // 新增資料到佇列
    public void addQueue(int n) {
        // 判斷佇列是否滿
        if (isFull()) {
            System.out.println("佇列滿，不能加入資料~");
            return;
        }
        // 直接將資料加入
        arr[rear] = n;
        // 將rear後移，這裡必須考慮取模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    // 取資料
    public int getQueue() {
        // 判斷佇列是否為空
        if (isEmpty()) {
//            丟擲異常
            throw new RuntimeException("佇列空，不能取資料~");
        }
        //這裡需要分析出 front 是指向佇列的第一個元素
        //1. 先把 front 對應的值保留到一個臨時變數
        //2. 將 front 後移，考慮取模
        //3. 將臨時儲存的變數返回
        int value = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;

    }

    // 顯示佇列所有資料
    public void showQueue() {
        // 遍歷
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("佇列空的，沒有資料~~");
            return;
        }
//        思路：從front開始遍歷，遍歷多少個元素

        for (int i = front; i < front + size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
        }
    }

    // 求出當前佇列有效資料個數
    public int size() {
        // rear = 2
        // front = 1
        // maxSize = 3
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    // 顯示佇列的資料，注意不是取出資料
    public int headQueue() {
        // 判斷
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("佇列空的，沒有資料~~");
        }
        return arr[front];
    }
}