常见数据结构(一)-栈,队列,堆,哈希表

原文链接：http://brianway.github.io/2016/10/13/algorithms-data-structures-1/

写在前面

本文所有图片均截图自coursera上普林斯顿的课程《Algorithms,
Part I》中的Slides
相关命题的证明可参考《算法（第4版）》
源码可在官网下载,也可以在我的github仓库 algorithms-learning下载，已经使用maven构建
仓库下载：

git clone git@github.com:brianway/algorithms-learning.git

Stacks(栈)

LIFO(后进先出):last in first out.
使用linked-list实现

保存指向第一个节点的指针，每次从前面插入／删除节点。

以字符串栈为例，示例代码：

public class LinkedStackOfStrings {
private Node first = null;

private class Node {
String item;
Node next;
}

public boolean isEmpty() {
return first == null;
}

public void push(String item) {
Node oldfirst = first;
first = new Node();
first.item = item;
first.next = oldfirst;
}

public String pop() {
String item = first.item;
first = first.next;
return item;
}
}

使用数组实现

使用数组来存储栈中的项

public class FixedCapacityStackOfStrings {
private String[] s;
private int N = 0;

public FixedCapacityStackOfStrings(int capacity) {
s = new String[capacity];
}

public boolean isEmpty() {
return N == 0;
}

public void push(String item) {
s[N++] = item;
}

public String pop() {
String item = s[--N];
s[N] = null;
return item;
}
}

上面的实现会有几个问题：
从空栈pop会抛出异常
插入元素过多会超出数组上界

这里重点解决第二个问题，resizing arrays.一个可行的方案是: 当数组满的时候，数组大小加倍；当数组是1/4满的时候，数组大小减半。 这里不是在数组半满时削减size,这样可以避免数组在将满未满的临界点多次push-pop-push-pop操作造成大量的数组拷贝操作。

插入N个元素，

N + (2 + 4 + 8 + ... + N) ~ 3N

。
N:1 array access per push
(2 + 4 + 8 + … + N):k array accesses to double to size k (ignoring cost to create new array)

由于resize操作不是经常发生，所以均摊下来，平均每次push/pop操作的还是常量时间(constant amortized time).

Queues(队列)

FIFO(先进先出):first in first out.
使用linked-list实现

保存指向首尾节点的指针，每次从链表尾插入，从链表头删除。

public class LinkedQueueOfStrings {
private Node first, last;

private class Node {
/* same as in StackOfStrings */
}

public boolean isEmpty() {
return first == null;
}

public void enqueue(String item) {
Node oldlast = last;
last = new Node();
last.item = item;
last.next = null;
if (isEmpty()) {
first = last;
} else {
oldlast.next = last;
}
}

public String dequeue() {
String item = first.item;
first = first.next;
if (isEmpty()) last = null;
return item;
}
}

使用数组实现

・Use array q[] to store items in queue.
・enqueue(): add new item at q[tail].
・dequeue(): remove item from q[head].
・Update head and tail modulo the capacity.
・Add resizing array.

Priority Queues

Collections. Insert and delete items.
Stack. Remove the item most recently added.
Queue. Remove the item least recently added. Randomized queue. Remove a random item.
Priority queue. Remove the largest (or smallest) item.

unordered array 实现

public class UnorderedMaxPQ<Key extends Comparable<Key>> {
private Key[] pq;   // pq[i] = ith element on pq
private int N;      // number of elements on pq

public UnorderedMaxPQ(int capacity) {
pq = (Key[]) new Comparable[capacity];
}

public boolean isEmpty() {
return N == 0;
}

public void insert(Key x) {
pq[N++] = x;
}

public Key delMax() {
int max = 0;
for (int i = 1; i < N; i++)
if (less(max, i)) max = i;

exch(max, N - 1);
return pq[--N];
}
}

Binary Heaps(二叉堆)

使用数组来表示一个二叉堆。根节点索引从1开始。索引对应在树中的位置，最大的键值是a[1],同时也是二叉树的根节点。
Parent’s key no smaller than children’s keys
Indices start at 1.
Parent of node at k is at k/2.
Children of node at k are at 2k and 2k+1.

上浮和下沉

有两种情况会触发节点移动：
子节点的键值变为比父节点大
父节点的键值变为比子节点（一个或两个）小

而 要消除这种违反最大堆定义的结构，就需要进行节点移动和交换， 使之满足父节点键值不小于两个子节点 。对应的操作分别是 上浮 和 下沉
上浮：子节点key比父节点大
Exchange key in child with key in parent.
Repeat until heap order restored.

下沉：父节点key比子节点（one or both）小
Exchange key in parent with key in larger child.
Repeat until heap order restored

/* 上浮 */
private void swim(int k) {
while (k > 1 && less(k / 2, k)) {
exch(k, k / 2);
k = k / 2;
}
}

/* 下沉 */
private void sink(int k) {
while (2 * k <= N) {
int j = 2 * k;
if (j < N && less(j, j + 1)) j++;
if (!less(k, j)) break;
exch(k, j);
k = j;

}
}

插入和删除

所有操作（插入和删除）都保证在log N 时间内。
插入：二叉堆的插入操作比较简单，把节点加在数组尾部，然后上浮即可。
删除最大：二叉堆的删除则是把根节点和末尾的节点交换，然后下沉该节点即可。

/* 插入 */
public void insert(Key x){
pq[++N] = x;
swim(N);
}

/* 删除 */
public Key delMax(){
Key max = pq[1];
exch(1, N--);
sink(1);
pq[N+1]=null;
return max;
}

最后，堆中的键值是不能变的，即Immutable.不然就不能保证父节点不小于子节点。

Symbol Tables

键值对的抽象.其中键一般使用immutable的类型，值是任何普通类型。

关于比较，所有的java类都继承了

equals()

方法，要求对于引用x,y,z
Reflexive: x.equals(x) is true.
Symmetric: x.equals(y) iff y.equals(x).
Transitive: if x.equals(y) and y.equals(z), then x.equals(z).
Non-null: x.equals(null) is false.

对于用户自定义的类型，一般按如下流程实现

equals()

方法:
Optimization for reference equality.
Check against null.
Check that two objects are of the same type and cast.
Compare each significant field:
if field is a primitive type, use ==
if field is an object, use equals().[apply rule recursively]
if field is an array, apply to each entry.[alternatively, use Arrays.equals(a, b) or Arrays.deepEquals(a, b),but not a.equals(b)]

两种实现的数据结构：
无序链表：Maintain an (unordered) linked list of key-value pairs.
有序数组：Maintain an ordered array of key-value pairs.

在有序数组进行查找时使用二分查找。两种方式的对比如下图：

Hash Tables(哈希表)

上面几种数据结构都是通过遍历或者二分查找去搜寻某个元素，而哈希表则是通过一个key-indexed table来存储其中的项，即“索引”是“键”的一个函数。换句话说，哈希是通过定义一种函数/计算方法，把键直接映射成一个哈希值（再通过取余操作换算成数组的下标索引），从而定位元素，而避免耗时的逐个比较和遍历的操作。
Hash code:An int between -2^31 and 2^31 - 1.
Hash function. An int between 0 and M - 1 (for use as array index).

//这里hashCode可能为负，且-2^31取绝对值会溢出，所以要“位与”
private int hash(Key key){
return (key.hashCode() & 0x7fffffff) % M;
}

所有的java类均继承了

hashCode()

方法来计算哈希值, 返回一个32-bit的int.默认实现是返回该对象的内存地址。对常用的类型有自己的实现，以java的

String

类为例子：

public int hashCode() {
int h = hash;
if (h == 0 && value.length > 0) {
char val[] = value;

for (int i = 0; i < value.length; i++) {
h = 31 * h + val[i];
}
hash = h;
}
return h;
}

hash code design.”Standard” recipe for user-defined types：
Combine each significant field using the 31x + y rule.
If field is a primitive type, use wrapper type hashCode().
If field is null, return 0.
If field is a reference type, use hashCode().[applies rule recursively]
If field is an array, apply to each entry.[or use Arrays.deepHashCode()]

当然，这种映射并不能保证是一对一的，所以一定会出现多个键映射到同一个哈希值的尴尬情况（尤其是对数组的size取余操作后,映射到同一数组下标），即哈希冲突，这是就需要一些方法来解决。这里介绍两种常用的方法：
separate chaining
linear probing

separate chaining

Use an array of M < N linked lists.
哈希：将key映射到0 ~ M-1 之间的一个整数i
插入：将值插在第i个链的前端
查找：只需遍历第i个链

linear probing

开放地址：如果发生冲突，将值放入下一个空的位置.(数组尺寸 M 必须比键值对的数目 N 要多.)
哈希：将key映射到 0 ~ M-1 之间的一个整数i
插入：如果数组索引为 i 的位置为空，则把值放入，否则依次尝试 i+1,i+2等索引，直到有空的
查找：先找索引 i，如果被占用且没匹配，则依次尝试i+1, i+2,等等