从零开始学java（25）--- 一些简单的数据结构与LinkedList

Day15

今天了解一些简单的数据结构和学习LinkedList的有关知识。

1.数据结构与算法

什么是数据结构？

Sartaj Sahni在他的《数据结构、算法与应用》一书中称：“数据结构是数据对象，以及存在于该对象的实例合组成实例的数据元素之间的各种联系。这些联系可以通过定义相关的函数来给出。”他将数据对象（data object）定义为“一个数据对象是实例或值的集合”。

Clifford A.Shaffer在《数据结构与算法分析》一书中的定义是：“数据结构是 ADT（抽象数据类型Abstract Data Type） 的物理实现。”

大话数据结构：数据结构是相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。

什么是算法？

算法是解决问题步骤的有限集合，通常用某一种计算机语言进行伪码描述。通常用时间复杂度和空间复杂度来衡量算法的优劣。

算法的五大特征：输入、输出、有穷性、确定性、可行性。
输入：零个或多个输入。
输出：一个或多个输出。
有穷性：有限步骤后在可接受时间内完成。
确定性：每个步骤都有确定含义，无二义性。
可行性：每一步都是可行的。

算法设计要求：正确性、可读性、健壮性、时间效率高和存储低。
正确性：有输入输出，无二义性，有正确答案。
可读性：方便阅读。
健壮性：输入不合法能处理
时间效率高和存储低：时间空间复杂度越低越好。

1.数组

数组是相同数据类型的元素按一定顺序排列的集合，是一块连续的内存空间。
特点：我们都知道数组中的元素在内存中连续存储的，可以根据是下标快速访问元素，因此，查询(get和set)速度很快,时间上都是O(1)的，然而插入和删除(add和remove)时，需要对元素移动空间，比较慢，操作时间上都是O(N)的。

Java中，Array就是数组，此外，ArrayList使用了数组Array作为其实现基础,它和一般的Array相比，最大的好处是，我们在添加元素时不必考虑越界，元素超出数组容量时，它会自动扩张保证容量。

Vector和ArrayList相比，主要差别就在于多了一个线程安全性，但是效率比较低下。如今java.util.concurrent包提供了许多线程安全的集合类（比如 LinkedBlockingQueue），所以不必再使用Vector了。

数组使用场景：频繁查询，很少增加和删除的情况。

2.链表

链表是一种非连续、非顺序的结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表中的指针链接次序实现的，链表由一系列结点组成。
Java中，LinkedList 使用链表作为其基础实现。

特点：元素可以不连续内存中，是以索引将数据联系起来的，当查询（get和set）元素的时候需要从头开始查询，操作时间上都是O(N)的，而且需要额外的空间存储指向其他数据地址的项。，所以效率比较低。然而添加和删除（add和remove）的只需要修改索引就可以了，操作时间上都是O(1)的。

查找操作对于未排序的数组和链表时间上都是O(N)。

使用场景：少查询，需要频繁的插入或删除情况

3.队列

队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端进行删除操作，而在表的后端进行插入操作，亦即所谓的先进先出（FIFO）。

特点：先进先出，

Java中，LinkedList实现了Deque，可以做为双向队列（自然也可以用作单向队列）。另外PriorityQueue实现了带优先级的队列，亦即队列的每一个元素都有优先级，且元素按照优先级排序。

使用场景：多线程阻塞队列管理非常有用

4.栈

栈（stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表。其限制是仅允许在表的一端进行插入和删除运算。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。它体现了后进先出（LIFO）的特点。

特点：先进后出。

Java中，Stack实现了这种特性，但是Stack也继承了Vector，所以具有线程安全线和效率低下两个特性，最新的JDK8中，推荐用Deque来实现栈，比如：

使用场景：实现递归以及表示式

5.数组与链表的区别

数组连续，链表不连续（从数据存储形式来说）

数组内存静态分配，链表动态分配

数组查询复杂度0（1），链表查询复杂度O(n)

数组添加或删除，复杂度o（n）,链表添加删除，复杂度O（1）

数组从栈中分配内存。链表从堆中分配内存。

6.集合

集合是指具有某种特定性质的具体的或抽象的对象汇总成的集体，这些对象称为该集合的元素，其主要特性是元素不可重复。

在Java中，HashSet体现了这种数据结构，而HashSet是在MashMap的基础上构建的。LinkedHashSet继承了HashSet，使用HashCode确定在集合中的位置，使用链表的方式确定位置，所以有顺序。TreeSet实现了SortedSet 接口，是排好序的集合（在TreeMap 基础之上构建），因此查找操作比普通的Hashset要快（log(N)）；插入操作要慢（log（N））,因为要维护有序。

2.LinkedList

LinkedList也是List接口的实现类，与ArrayList不同之处是采用的存储结构不同，ArrayList的数据结构为线性表，而LinkedList数据结构是链表。链表数据结构的特点是每个元素分配的空间不必连续、插入和删除元素时速度非常快、但访问元素的速度较慢。

其内部实现是一个双向（不循环）的链表

优点：对数据经常增加或删除，性能优于ArrayList
缺点：检索数据时不如ArrayList

LinkedList类每个结点用内部类Node表示，LinkedList通过first和last引用分别指向链表的第一个和最后一个元素，当链表为空时，first和last都为NULL值。LinkedList数据结构如下图所示：

1.在LinkedList中添加元素

LinkedList提供了多个添加元素的方法：

●boolean add(E e)

在链表尾部添加一个元素，如果成功，返回true，否则返回false。

●void addFirst(E e)

在链表头部插入一个元素。

●addLast(E e)

在链表尾部添加一个元素。

●void add(int index, E element)

在指定位置插入一个元素。

2.从LinkedList中删除元素

LinkedList提供了多个删除元素的方法：

●boolean remove(Object o)

从当前链表中移除指定的元素。

● E remove(int index)

从当前链表中移除指定位置的元素。

● E removeFirst()

从当前链表中移除第一个元素。

● E removeLast()

从当前链表中移除最后一个元素。

● E remove()

从当前链表中移除第一个元素，同removeLast()相同。

3.从LinkedList中获取元素

LinkedList提供了多个获取元素的方法：

● E get(int index)

从当前链表中获取指定位置的元素。

● E getFirst()

从当前链表中获取第一个元素。

● E getLast()

从当前链表中获取最后一个元素。

4.LinkedList的遍历方法

LinkedList可以通过迭代器、foreach语句、for循环语句等方法遍历集合的所有元素。

foreach语句效率最高，其次是迭代器，效率最差的是for循环。