Java刷题时常用的标准库数据结构和相应算法

目录

• 一、线性表（广义的数组）
  • 1. 数组
    • 一维数组的定义和初始化
    • 二维数组的定义和初始化
    • Arrays工具类的一些常用方法
  • 2. List接口容器
    • 对象的构建
    • 读写和插入删除数据
    • 排序
    • 反转数组
• 二、字符串
• 三、Map和Set
  • 1. Map
  • 2. Set
• 四、栈Stack和队列Queue
  • 1. 栈Stack
  • 2. 队列Queue
• 五、优先队列

一、线性表（广义的数组）

在算法题中，我们一般使用到的线性表一般有两种，且它们的优缺点如下：

• 数组
  • 优点：可以使用[]运算符进行随机读写
  • 缺点：数组大小固定，不能动态添加数据
• List对象
  • 优点：可以动态添加数据
  • 缺点：读写数据需要使用get(int index)和set(int index, Object object)，和数组相比比较麻烦

1. 数组

这里数组的主要用法和c++比较类似，这里主要写一下一些特殊的操作以及Arrays工具类提供的一些方法。

一维数组的定义和初始化

① 直接指定固定大小：

int[] arr = new int[n];

则开辟的空间会填充上默认值：

• 数值类型填充0
• boolean类型填充false
• 对象类型填充null

② 定义时进行初始化

int[] arr = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};

二维数组的定义和初始化

① 和一维数组一样直接给定两个维度的大小（行数和列数）：

int[][] matrix = new int[m][n];

② 和c++类似，二维数组也可以像c++中的type** matrix一样，先给第一个维度分配空间，然后再为第二个维度分配不同的空间，例如下面的代码分配下三角矩阵：

int n = 5;
int[][] matrix = new int[n][];
for (int i = 0; i < n; i++) {
    matrix[i] = new int[i + 1];
}

打印展示：

Arrays工具类的一些常用方法

在Java中原生数组实际上并不是完全的面向对象的，对于List对象希望进行某项操作只需要使用.+方法即可，但数组类型本身却没有带有这些操作，因而Arrays工具类填补了这部分的空白。

① Arrays.fill()

Arrays.fill有两个常见的使用：

• Arrays.fill(int[] array, int value)
• Arrays.fill(int[] array, int start, int end, int val)

这个函数是用于填充数组的，第一个参数是数组，第二个参数是填充的值，而第二种用法规定了填充的起止下标：[start, end)。

② Arrays.sort()

排序函数，一般也有两种参数填充方法：

• Arrays.sort(int[] array)
• Arrays.sort(Object[] array, Comparator c) tips 只有对象数组才能使用这种方式

第一种方式是按照默认的方式进行排序，数字类型按从小到大排，字符串类型按字典序排，而第二种方式中填写的第二个参数是用于改变默认的排序规则的，例如这里我希望从大到小排序（）：

Integer[] arr = new Integer[]{1, 2, 3, 4, 5};
Arrays.sort(arr, new Comparator<Integer>() {
    @Override
    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        return o2 - o1;
    }
});
// 或者使用下面的更加简洁的lambda表达式
Arrays.sort(arr, (num1, num2) -> num2 - num1);

由于添加Comparator对象的这种方式第一个参数只能是对象数组，因此我这里不再使用int[]而是改为了使用Integer[]。

这里就会出现一个这样的需求：如果我原来的类型是int[]，那么如何转换为Integer[]呢？这里我们可以使用下面的代码进行转化（其他的例如boolean到Boolean也可以按照如下方式转化）：

int[] arrOrigin = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
Integer[] arr = (Integer[]) Arrays.stream(arrOrigin).boxed().toArray();

即将原数组转为stream对象后调用boxed方法得到Stream<Integer>，最后再调用Stream类中的toArray()成员方法即可从流重新转为数组。而Integer[]想要转为int[]则需要调用Stream类的mapToInt(Integer::intValue).toArray()。

参考资料：https://codingdict.com/questions/3373

③ Arrays.toString(int[] array)

这个方法可以得到数组完整的内容，而如果直接使用arr.toString()只会得到对象的地址等无用信息。

④ Arrays.asList(int[] array)

将数组转为List对象：

Integer[] arr = new Integer[]{1, 2, 3, 4, 5};
List<Integer> list = Arrays.asList(arr);

此外这个函数还可以分散填写各个List对象初始元素的值：

List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

⑤ 反转数组

这里可以使用工具类反转的数组也仅限是对象数组（非对象数组可能只能手写反转算法了），参考代码如下：

String[] strArr = new String[]{"e", "d", "c", "b", "a"};
Collections.reverse(Arrays.asList(strArr));

输出结果：

[a, b, c, d, e]

另外还有一些例如Arrays.copyOf等方法不太常用，这里不再详细介绍。

2. List接口容器

对象的构建

实现类一般使用ArrayList（此外还有LinkedList，但不常用），构造对象方式如下：

List<Integer> list = new ArrayList<>();

读写和插入删除数据

读：E get(int index)

写：E set(int index, E element)

插入：boolean add(E e)和void add(int index, E element)

删除：boolean remove(Object o)和E remove(int index)

排序

使用List的接口方法sort(Comparator c)（数字从大到小排）：

List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
list.sort((num1, num2) -> num2 - num1);

输出：

[5, 4, 3, 2, 1]

或者也可以使用Collections.sort(List l, Comparator c)，可以达到相同的效果。

反转数组

// Collections工具类静态方法：Collections.reverse(List list)
List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
Collections.reverse(list);

二、字符串

以下api如果没有标注则默认为String类成员方法。

操作	api	说明
获取长度	int length()
获取下标对应字符	char charAt(int index)
转换为字符数组	char[] toCharArray()
取子串	String substring(int beginIdx, int endIdx)	其中endIdx是可选的
转为int等数字类型	静态方法 Integer.parseInt(String str)	这是int类型的，其他类型以此类推
数值类型转为字符串	静态方法 String.valueOf(T val)	这里的T可以是int、double等类型
按分隔符切分字符串	String[] split(String regex)	填入的是正则表达式
反转字符串	StringBuilder成员方法 string reverse()	需要借助StringBuilder

这些容器类基本都会包含有获取元素数量（size()）和判断是否为空（empty()或isEmpty()）等相同的方法，因此后面的api表格只列出该类特有的操作。

三、Map和Set

1. Map

Map这里一般使用的实现为HashMap，少数需要按照键进行排序时使用到TreeMap，构造对象如下：

Map<String, String> map = new HashMap<>();

常用操作和api：

操作	api
读	V get(Object key)
写	V put(K key, V value)
是否包含key	boolean containsKey(Object key)
是否包含value	boolean containsValue(Object value)

遍历Map：

// 1. 使用forEach + lambda表达式(推荐)
map.forEach((key, value)-> {
	...
});
// 2. 使用for结合keySet()
for (String key : map.keySet()) {
    String value = map.get(key);
    ...
}

2. Set

和Map类似，这里Set的实现一般也选择HashSet，少数需要按照键进行排序时使用到TreeSet，构造对象如下：

Set<String> set = new HashSet<>();

常用操作和api：

操作	api
插入元素	boolean add(E e)
删除元素	boolean remove(Object o)
是否包含元素	boolean contains(Object o)

同理，set也可以使用forEach+lambda以及增强for两种写法遍历元素。

四、栈Stack和队列Queue

1. 栈Stack

构造对象：

Stack<String> stack = new Stack<>();

常用操作和api：

操作	api
压栈	E push(E item)
弹栈	E pop()
查看栈顶元素	E peek()

2. 队列Queue

Queue是一个接口，一般实现类取ArrayDeque。构造对象代码如下：

Queue<String> queue = new ArrayDeque<>();

常用操作和api：

操作	api
入队	boolean offer(E e)
出队	E poll()
查看队首	E peek()

五、优先队列

构造对象：

PriorityQueue<Integer> heap = new PriorityQueue<>();

使用无参数构造函数时得到的是小顶堆，如果我们希望得到大顶堆则需要填入一个Comparator参数，如下为构造int类型大顶堆的方式：

PriorityQueue<Integer> heap = new PriorityQueue<>((o1, o2) -> o2 - o1);

其中填入的lambda表达式为新建Comparator匿名内部类的语法糖。

常用操作和api：

操作	api
入队	boolean offer(E e)
出队	boolean poll(E e)
查看队首（堆顶）	E peek()