java线性表的存储结构及其代码实现

Java数据结构学习笔记第一篇：

用程序后在那个的数据大致有四种基本的逻辑结构：

集合：数据元素之间只有"同属于一个集合"的关系
线性结构：数据元素之间存在一个对一个的关系
树形结构：数据元素之间存在一个对多个关系
图形结构或网状结构：数据元素之间存在多个对多个的关系

对于数据不同的逻辑结构，计算机在物理磁盘上通常有两种屋里存储结构

顺序存储结构
链式存储结构

本篇博文主要讲的是线性结构，而线性结构主要是线性表，非线性结构主要是树和图。

线性表的基本特征：

总存在唯一的第一个数据元素
总存在唯一的最后一个数据元素
除第一个数据元素外，集合中的每一个数据元素都只有一个前驱的数据元素
除最后一个数据元素外，集合中的每一个数据元素都只有一个后继的数据元素

1.线性表的顺序存储结构：是指用一组地址连续的存储单元一次存放线性表的元素。为了使用顺序结构实现线性表，程序通常会采用数组来保存线性中的元素，是一种随机存储的数据结构，适合随机访问。java中ArrayList类是线性表的数组实现。

import java.util.Arrays;
public class SequenceList<T>
{
  private int DEFAULT_SIZE = 16;
  //保存数组的长度。
  private int capacity;
  //定义一个数组用于保存顺序线性表的元素
  private Object[] elementData;
  //保存顺序表中元素的当前个数
  private int size = 0;
  //以默认数组长度创建空顺序线性表
  public SequenceList()
  {
    capacity = DEFAULT_SIZE;
    elementData = new Object[capacity];
  }
  //以一个初始化元素来创建顺序线性表
  public SequenceList(T element)
  {
    this();
    elementData[0] = element;
    size++;
  }
  /**
   * 以指定长度的数组来创建顺序线性表
   * @param element 指定顺序线性表中第一个元素
   * @param initSize 指定顺序线性表底层数组的长度
   */
  public SequenceList(T element , int initSize)
  {
    capacity = 1;
    //把capacity设为大于initSize的最小的2的n次方
    while (capacity < initSize)
    {
      capacity <<= 1;
    }
    elementData = new Object[capacity];
    elementData[0] = element;
    size++;
  }
  //获取顺序线性表的大小
  public int length()
  {
    return size;
  }
  //获取顺序线性表中索引为i处的元素
  public T get(int i)
  {
    if (i < 0 || i > size - 1)
    {
      throw new IndexOutOfBoundsException("线性表索引越界");
    }
    return (T)elementData[i];
  }
  //查找顺序线性表中指定元素的索引
  public int locate(T element)
  {
    for (int i = 0 ; i < size ; i++)
    {
      if (elementData[i].equals(element))
      {
        return i;
      }
    }
    return -1;
  }
  //向顺序线性表的指定位置插入一个元素。
  public void insert(T element , int index)
  {
    if (index < 0 || index > size)
    {
      throw new IndexOutOfBoundsException("线性表索引越界");
    }
    ensureCapacity(size + 1);
    //将index处以后所有元素向后移动一格。
    System.arraycopy(elementData , index , elementData
       , index + 1 , size - index);
    elementData[index] = element;
    size++;
  }
  //在线性顺序表的开始处添加一个元素。
  public void add(T element)
  {
    insert(element , size);
  }
  //很麻烦，而且性能很差
  private void ensureCapacity(int minCapacity)
  {
    //如果数组的原有长度小于目前所需的长度
    if (minCapacity > capacity)
    {
      //不断地将capacity * 2，直到capacity大于minCapacity为止
      while (capacity < minCapacity)
      {
        capacity <<= 1;
      }
      elementData = Arrays.copyOf(elementData , capacity);
    }
  }
  //删除顺序线性表中指定索引处的元素
  public T delete(int index)
  {
    if (index < 0 || index > size - 1)
    {
      throw new IndexOutOfBoundsException("线性表索引越界");
    }
    T oldValue = (T)elementData[index];
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
    {
      System.arraycopy(elementData , index+1
        , elementData, index ,   numMoved);
    }
    //清空最后一个元素
    elementData[--size] = null;
    return oldValue;
  }
  //删除顺序线性表中最后一个元素
  public T remove()
  {
    return delete(size - 1);
  }
  //判断顺序线性表是否为空表
  public boolean empty()
  {
    return size == 0;
  }
  //清空线性表
  public void clear()
  {
    //将底层数组所有元素赋为null
    Arrays.fill(elementData , null);
    size = 0;
  }
  public String toString()
  {
    if (size == 0)
    {
      return "[]";
    }
    else
    {
      StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
      for (int i = 0 ; i < size ; i++ )
      {
        sb.append(elementData[i].toString() + ", ");
      }
      int len = sb.length();
      return sb.delete(len - 2 , len).append("]").toString();
    }
  }
}

2.线性表链式存储结构:将采用一组地址的任意的存储单元存放线性表中的数据元素。
链表又可分为：

单链表：每个节点只保留一个引用，该引用指向当前节点的下一个节点，没有引用指向头结点，尾节点的next引用为null。
循环链表：一种首尾相连的链表。
双向链表：每个节点有两个引用，一个指向当前节点的上一个节点，另外一个指向当前节点的下一个节点。

下面给出线性表双向链表的实现：java中LinkedList是线性表的链式实现，是一个双向链表。

public class DuLinkList<T>
{
  //定义一个内部类Node，Node实例代表链表的节点。
  private class Node
  {
    //保存节点的数据
    private T data;
    //指向上个节点的引用
    private Node prev;
    //指向下个节点的引用
    private Node next;
    //无参数的构造器
    public Node()
    {
    }
    //初始化全部属性的构造器
    public Node(T data , Node prev , Node next)
    {
      this.data = data;
      this.prev = prev;
      this.next = next;
    }
  }
  //保存该链表的头节点
  private Node header;
  //保存该链表的尾节点
  private Node tail;
  //保存该链表中已包含的节点数
  private int size;
  //创建空链表
  public DuLinkList()
  {
    //空链表，header和tail都是null
    header = null;
    tail = null;
  }
  //以指定数据元素来创建链表，该链表只有一个元素
  public DuLinkList(T element)
  {
    header = new Node(element , null , null);
    //只有一个节点，header、tail都指向该节点
    tail = header;
    size++;
  }
  //返回链表的长度
  public int length()
  {
    return size;
  }

  //获取链式线性表中索引为index处的元素
  public T get(int index)
  {
    return getNodeByIndex(index).data;
  }
  //根据索引index获取指定位置的节点
  private Node getNodeByIndex(int index)
  {
    if (index < 0 || index > size - 1)
    {
      throw new IndexOutOfBoundsException("线性表索引越界");
    }
    if (index <= size / 2)
    {
      //从header节点开始
      Node current = header;
      for (int i = 0 ; i <= size / 2 && current != null
        ; i++ , current = current.next)
      {
        if (i == index)
        {
          return current;
        }
      }
    }
    else
    {
      //从tail节点开始搜索
      Node current = tail;
      for (int i = size - 1 ; i > size / 2 && current != null
        ; i++ , current = current.prev)
      {
        if (i == index)
        {
          return current;
        }
      }
    }
    return null;
  }
  //查找链式线性表中指定元素的索引
  public int locate(T element)
  {
    //从头节点开始搜索
    Node current = header;
    for (int i = 0 ; i < size && current != null
      ; i++ , current = current.next)
    {
      if (current.data.equals(element))
      {
        return i;
      }
    }
    return -1;
  }
  //向线性链式表的指定位置插入一个元素。
  public void insert(T element , int index)
  {
    if (index < 0 || index > size)
    {
      throw new IndexOutOfBoundsException("线性表索引越界");
    }
    //如果还是空链表
    if (header == null)
    {
      add(element);
    }
    else
    {
      //当index为0时，也就是在链表头处插入
      if (index == 0)
      {
        addAtHeader(element);
      }
      else
      {
        //获取插入点的前一个节点
        Node prev = getNodeByIndex(index - 1);
        //获取插入点的节点
        Node next = prev.next;
        //让新节点的next引用指向next节点，prev引用指向prev节点
        Node newNode = new Node(element , prev , next);
        //让prev的next指向新节点。
        prev.next = newNode;
        //让prev的下一个节点的prev指向新节点
        next.prev = newNode;
        size++;
      }
    }
  }
  //采用尾插法为链表添加新节点。
  public void add(T element)
  {
    //如果该链表还是空链表
    if (header == null)
    {
      header = new Node(element , null , null);
      //只有一个节点，header、tail都指向该节点
      tail = header;
    }
    else
    {
      //创建新节点,新节点的pre指向原tail节点
      Node newNode = new Node(element , tail , null);
      //让尾节点的next指向新增的节点
      tail.next = newNode;
      //以新节点作为新的尾节点
      tail = newNode;
    }
    size++;
  }
  //采用头插法为链表添加新节点。
  public void addAtHeader(T element)
  {
    //创建新节点，让新节点的next指向原来的header
    //并以新节点作为新的header
    header = new Node(element , null , header);
    //如果插入之前是空链表
    if (tail == null)
    {
      tail = header;
    }
    size++;
  }
  //删除链式线性表中指定索引处的元素
  public T delete(int index)
  {
    if (index < 0 || index > size - 1)
    {
      throw new IndexOutOfBoundsException("线性表索引越界");
    }
    Node del = null;
    //如果被删除的是header节点
    if (index == 0)
    {
      del = header;
      header = header.next;
      //释放新的header节点的prev引用
      header.prev = null;
    }
    else
    {
      //获取删除点的前一个节点
      Node prev = getNodeByIndex(index - 1);
      //获取将要被删除的节点
      del = prev.next;
      //让被删除节点的next指向被删除节点的下一个节点。
      prev.next = del.next;
      //让被删除节点的下一个节点的prev指向prev节点。
      if (del.next != null)
      {
        del.next.prev = prev;
      }
      //将被删除节点的prev、next引用赋为null.
      del.prev = null;
      del.next = null;
    }
    size--;
    return del.data;
  }
  //删除链式线性表中最后一个元素
  public T remove()
  {
    return delete(size - 1);
  }
  //判断链式线性表是否为空链表
  public boolean empty()
  {
    return size == 0;
  }
  //清空线性表
  public void clear()
  {
    //将底层数组所有元素赋为null
    header = null;
    tail = null;
    size = 0;
  }
  public String toString()
  {
    //链表为空链表时
    if (empty())
    {
      return "[]";
    }
    else
    {
      StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
      for (Node current = header ; current != null
        ; current = current.next )
      {
        sb.append(current.data.toString() + ", ");
      }
      int len = sb.length();
      return sb.delete(len - 2 , len).append("]").toString();
    }
  }
  public String reverseToString()
  {
    //链表为空链表时
    if (empty())
    {
      return "[]";
    }
    else
    {
      StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
      for (Node current = tail ; current != null
        ; current = current.prev )
      {
        sb.append(current.data.toString() + ", ");
      }
      int len = sb.length();
      return sb.delete(len - 2 , len).append("]").toString();
    }
  }
}

线性表的两种实现比较

空间性能：

顺序表：顺序表的存储空间是静态分布的，需要一个长度固定的数组，因此总有部分数组元素被浪费。

链表：链表的存储空间是动态分布的，因此不会空间浪费。但是由于链表需要而外的空间来为每个节点保存指针，因此要牺牲一部分空间。

时间性能：

顺序表：顺序表中元素的逻辑顺序与物理存储顺序是保持一致的，而且支持随机存取。因此顺序表在查找、读取时性能很好。

链表：链表采用链式结构来保存表内元素，因此在插入、删除元素时性能要好

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持我们。