【数据结构与算法】List接口&栈&队列

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💖 系列专栏：数据结构与算法
🌠 首发时间：2022年9月17日
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阅读指南 List 接口ArrayList 和 LinkedListComparator接口线性表和合集的静态方法队列和优先队列将 LinkedList 作为队列使用实现栈和队列优先队列

List 接口

List 接口继承自 Collection 接口，其中定义了一个用于顺序存储元素的合集，我们可以使用它的两个具体类 ArrayList 或者 LinkedList 来创建一个线性表

方法名及返回类型	描述
add(index: int, element: Object) : boolean	在指定索引位置处增加一个新元素
addAll(index: int, c: Collection) : boolean	在指定索引位置处添加 c 中的所有元素
get(index: int) : E	返回该线性表指定索引位置处的元素
indexOf(element: Object) : int	返回第一个匹配元素的索引
lastIndexOf(element: Object) : int	返回最后一个匹配元素的索引
listIterator() : ListIterator	返回针对该线性表元素的迭代器
listIterator(startIndex: int) : ListIterator	返回针对从 startIndex 开始的元素的迭代器
remove(index: int) : E	移除指定索引位置处的元素
set(index: int, element: Object) : Object	设置指定索引处的元素
subList(fromIndex: int, toIndex: int) : List	返回从 fromIndex 到 toIndex-1 的子线性表

ArrayList 和 LinkedList

数组线性表类 ArrayList 和链表类 LinkedList 是实现 List 接口的两个具体类

ArrayList 用数组存储元素，这个数组是动态创建的。如果元素个数超过了数组的容量，就创建一个更大的新数组，并将当前数组中的所有元素都复制到新数组中，而 LinkedList 则是在一个链表中存储元素

要选用这两种类中的哪一个依赖于特定需求。如果需要通过下标随机访问元素，而不会在线性表起始位置插入或删除元素，那么 ArrayList 提供了最高效率的合集。但是，如果应用程序需要在线性表的起始位置上插入或删除元素，就应该选择 LinkedList 类

ArrayList 的构造方法和其特有方法：

方法名	描述
ArrayList()	使用默认的初始容量创建一个空线性表
ArrayList(c: Collection)	从已有的合集中创建一个线性表
ArrayList(initialCapacity: int)	创建一个指定初始容量的空线性表
trimToSize() : void	将该 ArrayList 实例的容量裁剪到该线性表当前大小

LinkedList 的构造方法和其特有方法：

方法名	描述
LinkedList()	创建一个默认的空线性表
LinkedList(c: Collection)	从已有的合集种创建一个线性表
addFirst(o: E) : void	添加元素到该线性表的头部
addLast(o: E) : void	添加元素到该线性表的尾部
getFirst() : E	返回该线性表的第一个元素
getLast() : E	返回该线性表的最后一个元素
removeFirst() : E	从线性表中返回并删除第一个元素
removeLast() : E	从线性表返回并删除最后一个元素

我们写一个程序来感受一下：

import java.util.*;

public class TestArrayAndLinkedList {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
        arrayList.add(1);
        arrayList.add(2);
        arrayList.add(3);
        arrayList.add(4);
        arrayList.add(0, 10);
        arrayList.add(3, 30);
        System.out.println("A list of integers in the array list:");
        System.out.println(arrayList);

        LinkedList<Object> linkedList = new LinkedList<>(arrayList);
        linkedList.add(1, "red");
        linkedList.removeLast();
        linkedList.addFirst("green");
        System.out.println("Display the linked list backward:");
        for (int i = linkedList.size() - 1; i >= 0; --i) {
            System.out.print(linkedList.get(i) + " ");
        }
    }
}

运行结果如下：

Comparator接口

Java API 的一些类，比如 String、Date、Calendar、BigInteger、BigDecimal 以及所有基本类型的数字包装类都实现了 Comparator 接口。Comparator 接口中定义了 compareTo 方法，用于比较实现了 Comparable 接口的同一个类的两个元素

如果元素的类没有实现 Comparable 接口又将如何呢？这些元素可以比较吗？我们可以定义一个比较器（Comparator）来比较不同类的元素。要做到这一点，需要创建一个实现 java.util.Comparator 接口的类并重写它的 compare 方法

public int compare(T element1, T element2)

如果 element1 小于 element2，就返回一个负值；如果 element1 大于 element2，就返回一个正值；如果两者相等，则返回 0

线性表和合集的静态方法

Collections 类（不是 Collection接口）包含了执行合集和线性表中通用 *** 作的静态方法

Collections 类包含用于线性表的 sort、binarySearch、reverse、shuffle、copy 和 fill 方法，以及用于合集的 max、min、disjoint 和 frequency 方法，如下表所示

方法	描述
sort(list: List) : void	对指定的线性表进行排序
sort(list: List, c: Comparator) : void	使用比较器对指定的线性表进行排序
binarySearch(list: List, key: Object) : int	采用二分查找来找到排好序的线性表中的键值
binarySearch(list: List, key: Object, c: Comparator) : int	使用比较器，采用二分查找来找到排好序的线性表中的键值
reverse(list: List) : void	对指定的线性表进行逆序排序
reverseOrder() : Comparator	返回一个逆序排序的比较器
shuffle(list: List) : void	随机打乱指定的线性表
shuffle(list: List, rmd: Random) : void	使用一个随机对象打乱指定的线性表
copy(des: List, src: List) : void	复制源线性表到目标线性表中
nCopies(n: int, o: Object) : List	返回一个由 n 个对象副本组成的线性表
fill(list: List, o: Object) : void	使用对象填充线性表
max(c: Collection) : Object	返回合集中的 max 对象
max(c: Collection, c: Comparator) : Object	使用比较器返回 max 对象
min(c: Collection) : Object	返回合集中的 min 对象
min(c: Collection, c: Comparator) : Object	使用比较器返回 min 对象
disjoint(c1: Collection, c2: Collection) : boolean	如果 c1 和 c2 没有共同的元素，则返回真
frequency(c: Collection, o: Object) : int	返回合集中指定元素的出现次数

下面的代码是对线性表中的字符串进行排序：

import java.util.*;

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = Arrays.asList("red", "green", "blue");
        Collections.sort(list);
        System.out.println(list);
    }
}

执行结果如下：

如果想要降序排列，我们可以简单地使用 Collection.reverseOrder() 方法，它会返回一个 Comparator 对象，该方法以逆序排列元素，下面是一段简单的降序排列的代码：

import java.util.*;

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = Arrays.asList("red", "green", "blue");
        Collections.sort(list, Collections.reverseOrder());
        System.out.println(list);
    }
}

执行结果如下：

队列和优先队列

队列（queue）是一种先进先出的数据结构，元素被追加到队列末尾，然后从队列头删除。在优先队列（priority queue）中，元素被赋予优先级。当访问元素时，拥有最高优先级的元素最先被删除

将 LinkedList 作为队列使用

JFC 中并没有提供具体的队列类，而只是提供了 Queue 接口和 Deque 接口，而具体类 LinkedList 继承了 Deque 接口，而 Deque 接口又继承了 Queue 接口，事实上 LinkedList 可以作为队列使用

import java.util.*;

public class TestQueue {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer("red");
        queue.offer("green");
        queue.offer("blue");
        queue.offer("cyan");

        while (queue.size() > 0) {
            System.out.print(queue.remove() + " ");
        }
    }
}

执行结果如下：

实现栈和队列

需求：

实现栈 GenericStack：

方法名	描述
GenericStack()	创建一个空的栈
getSize() : int	返回栈中元素的数量
peek() : E	返回栈顶的元素
pop() : E	返回并删除栈顶的元素
push(o: E) : void	往栈顶添加一个元素
isEmpty() : boolean	如果栈为空，返回 true

具体代码如下：

import java.util.*;

public class GenericStack<E> {
    private final ArrayList<E> list;

    public GenericStack() {
        list = new ArrayList<>();
    }

    public int getSize() {
        return list.size();
    }

    public E peek() {
        return list.get(getSize() - 1);
    }

    public void push(E o) {
        list.add(o);
    }

    public E pop() {
        E o = list.get(getSize() - 1);
        list.remove(getSize() - 1);
        return o;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return list.isEmpty();
    }
}

实现队列 GenericQueue：

方法名	描述
enqueue(e: E) : void	添加一个元素到队列中
dequeue() : E	从队列中移除一个元素
getSize() : int	返回队列中元素的数量

具体代码如下：

import java.util.*;

public class GenericQueue<E> {
    private final LinkedList<E> list;
    
    public GenericQueue() {
        list = new LinkedList<>();
    }

    public void enqueue(E e) {
        list.add(e);
    }

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

    public int getSize() {
        return list.size();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "GenericQueue{" +
                "list=" + list +
                '}';
    }
}

优先队列

PriorityQueue 类实现了一个优先队列，默认情况下，优先队列使用 Comparable 以元素的自然顺序进行排序，拥有最小数值的元素被赋予最高优先级，因此最先从队列中删除。如果几个元素具有相同的最高优先级，则任意选择一个，也可以使用构造方法 PriorityQueue(initialCapacity, comparator) 中的 Comparator 来指定一个顺序

方法名	描述
PriorityQueue()	创建一个初始容量为 11 的默认优先队列
PriorityQueue(initialCapacity: int)	创建一个初始容量为指定值的默认优先队列
PriorityQueue(c: Collection)	创建一个具有指定合集的优先队列
PriorityQueue(initialCapacity: int, comparator: Comparator)	创建一个初始容量为指定值并且具有比较器的优先队列

运行实例：

import java.util.*;

public class PriorityQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        PriorityQueue<String> q1 = new PriorityQueue<>();
        q1.offer("red");
        q1.offer("green");
        q1.offer("blue");
        q1.offer("cyan");
        System.out.println("Priority queue using Comparable:");
        while (q1.size() > 0) {
            System.out.print(q1.remove() + " ");
        }
        System.out.println();

        PriorityQueue<String> q2 = new PriorityQueue<>(4, Collections.reverseOrder());
        q2.offer("red");
        q2.offer("green");
        q2.offer("blue");
        q2.offer("cyan");
        System.out.println("Priority queue using Comparator:");
        while (q2.size() > 0) {
            System.out.print(q2.remove() + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

运行结果如下：