本文目录：

数据结构分类

数据结构是指相互之间存在着一种或多种关系的数据元素的集合和该集合中数据元素之间的关系组成 。
常用的数据结构有：数组，栈，链表，队列，树，图，堆，散列表等，如图所示：

每一种数据结构都有着独特的数据存储方式，下面为大家介绍它们的结构和优缺点。

1、数组

数组是可以再内存中连续存储多个元素的结构，在内存中的分配也是连续的，数组中的元素通过数组下标进行访问，数组下标从0开始。例如下面这段代码就是将数组的第一个元素赋值为 1。

int[] data = new int[100]；data[0]  = 1;

优点：
1、按照索引查询元素速度快
2、按照索引遍历数组方便

缺点：
1、数组的大小固定后就无法扩容了
2、数组只能存储一种类型的数据
3、添加，删除的操作慢，因为要移动其他的元素。

适用场景：
频繁查询，对存储空间要求不大，很少增加和删除的情况。

2、栈

栈是一种特殊的线性表，仅能在线性表的一端操作，栈顶允许操作，栈底不允许操作。 栈的特点是：先进后出，或者说是后进先出，从栈顶放入元素的操作叫入栈，取出元素叫出栈。

栈的结构就像一个集装箱，越先放进去的东西越晚才能拿出来，所以，栈常应用于实现递归功能方面的场景，例如斐波那契数列。

3、队列

队列与栈一样，也是一种线性表，不同的是，队列可以在一端添加元素，在另一端取出元素，也就是：先进先出。从一端放入元素的操作称为入队，取出元素为出队，示例图如下：

使用场景：因为队列先进先出的特点，在多线程阻塞队列管理中非常适用。

4、链表

链表是物理存储单元上非连续的、非顺序的存储结构，数据元素的逻辑顺序是通过链表的指针地址实现，每个元素包含两个结点，一个是存储元素的数据域 (内存空间)，另一个是指向下一个结点地址的指针域。根据指针的指向，链表能形成不同的结构，例如单链表，双向链表，循环链表等。

链表的优点：
链表是很常用的一种数据结构，不需要初始化容量，可以任意加减元素；
添加或者删除元素时只需要改变前后两个元素结点的指针域指向地址即可，所以添加，删除很快；

缺点：
因为含有大量的指针域，占用空间较大；
查找元素需要遍历链表来查找，非常耗时。

适用场景：
数据量较小，需要频繁增加，删除操作的场景

5、树

树是一种数据结构，它是由n（n>=1）个有限节点组成一个具有层次关系的集合。把它叫做 “树” 是因为它看起来像一棵倒挂的树，也就是说它是根朝上，而叶朝下的。它具有以下的特点：

• 每个节点有零个或多个子节点；
• 没有父节点的节点称为根节点；
• 每一个非根节点有且只有一个父节点；
• 除了根节点外，每个子节点可以分为多个不相交的子树；

在日常的应用中，我们讨论和用的更多的是树的其中一种结构，就是二叉树。

二叉树是树的特殊一种，具有如下特点：

1、每个结点最多有两颗子树，结点的度最大为2。
2、左子树和右子树是有顺序的，次序不能颠倒。
3、即使某结点只有一个子树，也要区分左右子树。

二叉树是一种比较有用的折中方案，它添加，删除元素都很快，并且在查找方面也有很多的算法优化，所以，二叉树既有链表的好处，也有数组的好处，是两者的优化方案，在处理大批量的动态数据方面非常有用。

扩展：
二叉树有很多扩展的数据结构，包括平衡二叉树、红黑树、B+树等，这些数据结构二叉树的基础上衍生了很多的功能，在实际应用中广泛用到，例如mysql的数据库索引结构用的就是B+树，还有HashMap的底层源码中用到了红黑树。这些二叉树的功能强大，但算法上比较复杂，想学习的话还是需要花时间去深入的。

6、散列表

散列表，也叫哈希表，是根据关键码和值 (key和value) 直接进行访问的数据结构，通过key和value来映射到集合中的一个位置，这样就可以很快找到集合中的对应元素。

记录的存储位置=f(key)

这里的对应关系 f 成为散列函数，又称为哈希 (hash函数)，而散列表就是把Key通过一个固定的算法函数既所谓的哈希函数转换成一个整型数字，然后就将该数字对数组长度进行取余，取余结果就当作数组的下标，将value存储在以该数字为下标的数组空间里，这种存储空间可以充分利用数组的查找优势来查找元素，所以查找的速度很快。

哈希表在应用中也是比较常见的，就如Java中有些集合类就是借鉴了哈希原理构造的，例如HashMap，HashTable等，利用hash表的优势，对于集合的查找元素时非常方便的，然而，因为哈希表是基于数组衍生的数据结构，在添加删除元素方面是比较慢的，所以很多时候需要用到一种数组链表来做，也就是拉链法。拉链法是数组结合链表的一种结构，较早前的hashMap底层的存储就是采用这种结构，直到jdk1.8之后才换成了数组加红黑树的结构，其示例图如下：

从图中可以看出，左边很明显是个数组，数组的每个成员包括一个指针，指向一个链表的头，当然这个链表可能为空，也可能元素很多。我们根据元素的一些特征把元素分配到不同的链表中去，也是根据这些特征，找到正确的链表，再从链表中找出这个元素。

哈希表的应用场景很多，当然也有很多问题要考虑，比如哈希冲突的问题，如果处理的不好会浪费大量的时间，导致应用崩溃。

7、堆

堆是一种比较特殊的数据结构，可以被看做一棵树的数组对象，具有以下的性质：

• 堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值；

• 堆总是一棵完全二叉树。

将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆，根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。常见的堆有二叉堆、斐波那契堆等。

堆的定义如下：n个元素的序列{k1,k2,ki,…,kn}当且仅当满足下关系时，称之为堆。
(ki <= k2i,ki <= k2i+1)或者(ki >= k2i,ki >= k2i+1), (i = 1,2,3,4…n/2)，满足前者的表达式的成为小顶堆，满足后者表达式的为大顶堆，这两者的结构图可以用完全二叉树排列出来，示例图如下：

因为堆有序的特点，一般用来做数组中的排序，称为堆排序。

8、图

图是由结点的有穷集合V和边的集合E组成。其中，为了与树形结构加以区别，在图结构中常常将结点称为顶点，边是顶点的有序偶对，若两个顶点之间存在一条边，就表示这两个顶点具有相邻关系。

按照顶点指向的方向可分为无向图和有向图：


图是一种比较复杂的数据结构，在存储数据上有着比较复杂和高效的算法，分别有邻接矩阵 、邻接表、十字链表、邻接多重表、边集数组等存储结构，这里不做展开，读者有兴趣可以自己学习深入。

本文是王争老师的《算法与数据结构之美》的学习笔记，详细内容请看王争的专栏 。有不懂的地方指出来，我做修改。

数据结构与算法思维导图

数据结构指的是“一组数据的存储结构”，算法指的是“操作数据的一组方法”。
数据结构是为算法服务的，算法是要作用再特定的数据结构上的。

最常用的数据结构预算法:

• 数据结构：数组、链表、栈、队列、散列表、二叉树、堆、跳表、图、Tire树
• 算法： 递归、排序、二分查找、搜索、哈希算法、贪心算法、分治算法、回溯算法、动态规划、字符串匹配算法

1  算法的复杂度

1.1大O复杂度表示法

 公式:

T(n)表示代码执行的时间; n表示数据规模的大小; f(n) 表示每行代码执行的次数总和。因为这是一个公式， 所以用f(n)来表示。公式中的O,表示代码的执行时间T(n)与f(n)表达式成正比。

      所以，第一个例子中的T(n) = O(2n+2)，第二个例子中的T(m) = 0(2n2 +2n+3)。这就是大O时间复杂度表示法。大O时间复杂度实际上并不具体表示代码真正的执行时间，而是表示代码执行时间随数据规模增长的变化趋势，所以，也叫作渐进时间复杂度(asymptotic time complexity)，简称时间复杂度。

      当n很大时，你可以把它想象成10000、100000。 而公式中的低阶、常量、系数三部分并不左右增长趋势,所以都可以忽略。我们只需要记录一个最大量级就可以了，如果用大O表示法表示刚讲的那两段代码的时间复杂度,就可以记为: T(n) = O(n); T(n)= 0(n2)。
 

1.2.复杂度分析法则

1）单段代码看高频：比如循环。
2）多段代码取最大：比如一段代码中有单循环和多重循环，那么取多重循环的复杂度。
3）嵌套代码求乘积：比如递归、多重循环等
4）多个规模求加法：比如方法有两个参数控制两个循环的次数，那么这时就取二者复杂度相加。

1.3 时间复杂度分析

• 只关注循环执行次数最多的一段代码
• 加法法则：总复杂度等于量级最大的那段代码的复杂度
• 乘法法则：嵌套代码的复杂度等于嵌套内外代码复杂度的乘积

1.4 几种常见时间复杂度实例分析

多项式阶：随着数据规模的增长，算法的执行时间和空间占用，按照多项式的比例增长。包括，
O(1)（常数阶）、O(logn)（对数阶）、O(n)（线性阶）、O(nlogn)（线性对数阶）、O(n^2)（平方阶）、O(n^3)（立方阶）
非多项式阶：随着数据规模的增长，算法的执行时间和空间占用暴增，这类算法性能极差。包括，
O(2^n)（指数阶）、O(n!)（阶乘阶）

• O(1) :

常量级时间复杂度,只要代码的执行时间不随 n 的增大而增长，这样代码的时间复杂度我们都记作 O(1)。

• O(logn)、O(nlogn)

i=1;
while(i<=n) {
    i = i*2;
}

x=log2n，所以，这段代码的时间复杂度就是 O(log2n)

• O(m+n)、O(m*n)

   int cal(int m, int n) {
      int sum_1=0;
      int i=1;
      for(;i<m;++i){
         sum_1 = sum_1 + i;
      }
      int sum_2 = 0;
      int j=1;
      for (;j<n;++j){
         sum_2 = sum_2 + j;
      }
      return sum_1 + sum_2;
   }

从代码中可以看出，m和n是表示两个数据规模。我们无法事先评估m和n谁的量级大，所以我们在表示复杂度的时候，就不能简单地利用加法法则，省略掉其中一个。所以，上面代码的时间复 杂度就是0(m+n)。

针对这种情况，原来的加法法则就不正确了，我们需要将加法规则改为: T1(m) + T2(m) = O(f(m) + g(n))。但是乘法法则继续有效: T1(m)*T2(n) = O(f(m) * f(n))。

1.5 空间复杂度分析

表示算法的存储空间与数据规模之间的增长关系。

void print(int n) {
    inti=0;
    int[] a = new int[n];
    for (i; i <n; ++i) {
        a[i] =i* i;
    }
    for(i=n-1;i>=0;--i){
        print out a[i]
    }
}

跟时间复杂度分析一样，我们可以看到，第2行代码中，我们申请了一个空间存储变量i,但是它是常最阶的，跟数据规模n没有关系，所以我们可以忽略。第3行申请了一个大小为n的int类型数组，除此之外，剩下的代码都没有占用更多的空间，所以整段代码的空间复杂度就是O(n)。

我们常见的空间复杂度就是O(1)、O(n)、 O(n2), 像O(logn)、O(nlogn) 这样的对数阶复杂度平时都用不到。而且，空间复杂度分析比时间复杂度分析要简单很多。所以，对于空间复杂度，掌握刚我说的这些内容已经足够了。

1.6 复杂度增长趋势图:

最好情况时间复杂度、最坏时间复杂度、平均情況时间复杂度、均摊时间复杂度。

一、复杂度分析的4个概念
1.最坏情况时间复杂度：代码在最坏情况下执行的时间复杂度。
2.最好情况时间复杂度：代码在最理想情况下执行的时间复杂度。
3.平均时间复杂度：代码在所有情况下执行的次数的加权平均值。
4.均摊时间复杂度：在代码执行的所有复杂度情况中绝大部分是低级别的复杂度，个别情况是高级别复杂度且发生具有时序关系时，可以将个别高级别复杂度均摊到低级别复杂度上。基本上均摊结果就等于低级别复杂度。

二、为什么要引入这4个概念？
1.同一段代码在不同情况下时间复杂度会出现量级差异，为了更全面，更准确的描述代码的时间复杂度，所以引入这4个概念。
2.代码复杂度在不同情况下出现量级差别时才需要区别这四种复杂度。大多数情况下，是不需要区别分析它们的。

三、如何分析平均、均摊时间复杂度？
1.平均时间复杂度
代码在不同情况下复杂度出现量级差别，则用代码所有可能情况下执行次数的加权平均值表示。
2.均摊时间复杂度
两个条件满足时使用：1）代码在绝大多数情况下是低级别复杂度，只有极少数情况是高级别复杂度；2）低级别和高级别复杂度出现具有时序规律。均摊结果一般都等于低级别复杂度。

1、数组

线性表:   线性表就是数据排成像一条线一样的结构.每个现行表上的数据最多只有前和后两个方向.常见的线性表结构：数组，链表、队列、栈等。

什么是数组:

1.  数组（Array）是一种线性表数据结构。它用一组连续的内存空间，来存储一组具有相同类型的数据。
2.  连续的内存空间和相同类型的数据(随机访问的前提)。
3. 优点：两限制使得具有随机访问的特性缺点：删除，插入数据效率低。
4. 对内存空间要求高，需要一块连续的内存空间。

• 数组怎么根据下标随机访问的？

通过寻址公式：a[i]_address = base_address + i * data_type_size
其中data_type_size表示数组中每个元素的大小,base_address 是首元素地址,i数组下标。

为何数组插入和删除低效：

插入：
若有一元素想往int[n]的第k个位置插入数据，需要在k-n的位置往后移。
最好情况时间复杂度 O(1)

如果数组中的数据不是有序的，也就是无规律的情况下，可以直接把第k个位置上的数据移到最后，然后将插入的数据直接放在第k个位置上。

最坏情况复杂度为O(n)

平均负责度为O(n)

2. 低效的插入和删除
1） 插入：从最好O(1) 最坏O(n) 平均O(n)
2） 插入：数组若无序，插入新的元素时，可以将第K个位置元素移动到数组末尾，把心的元素，插入到第k个位置，此处复杂度为O(1)。
3） 删除：从最好O(1) 最坏O(n) 平均O(n)
4） 多次删除集中在一起，提高删除效率
记录下已经被删除的数据，每次的删除操作并不是搬移数据，只是记录数据已经被删除，当数组没有更多的存储空间时，再触发一次真正的删除操作。即JVM标记清除垃圾回收算法。

2、链表

• 什么是链表

1.和数组一样，链表也是一种线性表。
2.从内存结构来看，链表的内存结构是不连续的内存空间，是将一组零散的内存块串联起来，从而进行数据存储的数据结构。
3.链表中的每一个内存块被称为节点Node。节点除了存储数据外，还需记录链上下一个节点的地址，即后继指针next。

• 链表的特点

1.插入、删除数据效率高O(1)级别（只需更改指针指向即可），随机访问效率低O(n)级别（需要从链头至链尾进行遍历）。

2.和数组相比，内存空间消耗更大，因为每个存储数据的节点都需要额外的空间存储后继指针。

• 常用链表

1.单链表

1）每个节点只包含一个指针，即后继指针。
2）单链表有两个特殊的节点，即首节点和尾节点。为什么特殊？用首节点地址表示整条链表，尾节点的后继指针指向空地址null。
3）性能特点：插入和删除节点的时间复杂度为O（1），查找的时间复杂度为O(n)。

2.循环链表

1）除了尾节点的后继指针指向首节点的地址外均与单链表一致。
2）适用于存储有循环特点的数据，比如约瑟夫问题。

3.双向链表

1）节点除了存储数据外，还有两个指针分别指向前一个节点地址（前驱指针prev）和下一个节点地址（后继指针next）。
2）首节点的前驱指针prev和尾节点的后继指针均指向空地址。
3）性能特点：
和单链表相比，存储相同的数据，需要消耗更多的存储空间。
插入、删除操作比单链表效率更高O(1)级别。以删除操作为例，删除操作分为2种情况：给定数据值删除对应节点和给定节点地址删除节点。对于前一种情况，单链表和双向链表都需要从头到尾进行遍历从而找到对应节点进行删除，时间复杂度为O(n)。对于第二种情况，要进行删除操作必须找到前驱节点，单链表需要从头到尾进行遍历直到p->next = q，时间复杂度为O(n)，而双向链表可以直接找到前驱节点，时间复杂度为O(1)。
对于一个有序链表，双向链表的按值查询效率要比单链表高一些。因为我们可以记录上次查找的位置p，每一次查询时，根据要查找的值与p的大小关系，决定是往前还是往后查找，所以平均只需要查找一半的数据。

4.双向循环链表：

首节点的前驱指针指向尾节点，尾节点的后继指针指向首节点。

• 选择数组还是链表？

1.插入、删除和随机访问的时间复杂度
数组：插入、删除的时间复杂度是O(n)，随机访问的时间复杂度是O(1)。
链表：插入、删除的时间复杂度是O(1)，随机访问的时间复杂端是O(n)。

2.数组缺点
1）若申请内存空间很大，比如100M，但若内存空间没有100M的连续空间时，则会申请失败，尽管内存可用空间超过100M。
2）大小固定，若存储空间不足，需进行扩容，一旦扩容就要进行数据复制，而这时非常费时的。
3.链表缺点
1）内存空间消耗更大，因为需要额外的空间存储指针信息。
2）对链表进行频繁的插入和删除操作，会导致频繁的内存申请和释放，容易造成内存碎片，如果是Java语言，还可能会造成频繁的GC（自动垃圾回收器）操作。
4.如何选择？
数组简单易用，在实现上使用连续的内存空间，可以借助CPU的缓冲机制预读数组中的数据，所以访问效率更高，而链表在内存中并不是连续存储，所以对CPU缓存不友好，没办法预读。
如果代码对内存的使用非常苛刻，那数组就更适合。

• 应用

1.如何分别用链表和数组实现LRU缓冲淘汰策略？
1）什么是缓存？
缓存是一种提高数据读取性能的技术，在硬件设计、软件开发中都有着非广泛的应用，比如常见的CPU缓存、数据库缓存、浏览器缓存等等。
2）为什么使用缓存？即缓存的特点
缓存的大小是有限的，当缓存被用满时，哪些数据应该被清理出去，哪些数据应该被保留？就需要用到缓存淘汰策略。
3）什么是缓存淘汰策略？
指的是当缓存被用满时清理数据的优先顺序。
4）有哪些缓存淘汰策略？
常见的3种包括先进先出策略FIFO（First In，First Out）、最少使用策略LFU（Least Frenquently Used）、最近最少使用策略LRU（Least Recently Used）。
5）链表实现LRU缓存淘汰策略
当访问的数据没有存储在缓存的链表中时，直接将数据插入链表表头，时间复杂度为O(1)；当访问的数据存在于存储的链表中时，将该数据对应的节点，插入到链表表头,时间复杂度为O(n)。如果缓存被占满，则从链表尾部的数据开始清理，时间复杂度为O(1)。
6）数组实现LRU缓存淘汰策略
方式一：首位置保存最新访问数据，末尾位置优先清理
当访问的数据未存在于缓存的数组中时，直接将数据插入数组第一个元素位置，此时数组所有元素需要向后移动1个位置，时间复杂度为O(n)；当访问的数据存在于缓存的数组中时，查找到数据并将其插入数组的第一个位置，此时亦需移动数组元素，时间复杂度为O(n)。缓存用满时，则清理掉末尾的数据，时间复杂度为O(1)。
方式二：首位置优先清理，末尾位置保存最新访问数据
当访问的数据未存在于缓存的数组中时，直接将数据添加进数组作为当前最有一个元素时间复杂度为O(1)；当访问的数据存在于缓存的数组中时，查找到数据并将其插入当前数组最后一个元素的位置，此时亦需移动数组元素，时间复杂度为O(n)。缓存用满时，则清理掉数组首位置的元素，且剩余数组元素需整体前移一位，时间复杂度为O(n)。（优化：清理的时候可以考虑一次性清理一定数量，从而降低清理次数，提高性能。）
2.如何通过单链表实现“判断某个字符串是否为水仙花字符串”？（比如 上海自来水来自海上）
1）前提：字符串以单个字符的形式存储在单链表中。
2）遍历链表，判断字符个数是否为奇数，若为偶数，则不是。
3）将链表中的字符倒序存储一份在另一个链表中。
4）同步遍历2个链表，比较对应的字符是否相等，若相等，则是水仙花字串，否则，不是。
六、设计思想
时空替换思想：“用空间换时间” 与 “用时间换空间”
当内存空间充足的时候，如果我们更加追求代码的执行速度，我们就可以选择空间复杂度相对较高，时间复杂度小相对较低的算法和数据结构，缓存就是空间换时间的例子。如果内存比较紧缺，比如代码跑在手机或者单片机上，这时，就要反过来用时间换空间的思路。

3、队列

什么是队列:

队列是一种受限的线性表数据结构,只支持两个操作:入栈push()和出栈pop0,队列跟非常相似,支持的操作也 ,很有限,最基本的操作也是两个:入队enqueue(),放一个数据到队列尾部;出队dequeue0),从队列头部取一个元素。

特点:

1 . 队列跟栈一样,也是一种抽象的数据结构。

2. 具有先进先出的特性,支持在队尾插入元素,在队头删除元素。

实现:

队列可以用数组来实现,也可以用链表来实现。

用数组实现的队列叫作顺序队列,用链表实现的队列叫作链式队列。

基于数组的队列:

实现思路:

实现队列需要两个指针:一个是head指针,指向队头;一个是tail指针,指向队尾。你可以结合下面这幅图来理解。当a,b,c,d依次入队之后,队列中的head指针指向下标为0的位置, tail指针指向下标为4的位置。

当我们调用两次出队操作之后,队列中head指针指向下标为2的位置, tail指针仍然指向下标为4的位置.

随着不停地进行入队、出队操作, head和tail都会持续往后移动。当tail移 . ,动到最右边,即使数组中还有空闲空间,也无法继续往队列中添加数据了。这个问题该如何解决呢?

在出队时可以不用搬移数据。如果没有空闲空间了,我们只需要在入队时,再集中触 ,发一次数据的搬移操作。

当队列的tail指针移动到数组的最右边后,如果有新的数据入队,我们可以将 head到tail之间的数据,整体搬移到数组中0到tail-head的位置。

基于链表的实现: 

需要两个指针: head指针和tail指针,它们分别指向链表的第一个结,点和最后一个结点。

如图所示,入队时, tail->next= new node, tail = tail->next:出队时, head = head->next.

循环队列:

我们刚才用数组来实现队列的时候,在tail==n时,会有数据搬移操作,这样入队操作性能就会受到影响。那有没有办法能够避免数据搬移呢?我们来看看循环队列的解决思路。循环队列,顾名思义,它长得像一个环。原本数组是有头有尾的,是一条直线。现在我们把首尾相,连,板成了一个环。我画了一张图,你可以直观地感受一下。

我们可以看到,图中这个队列的大小为8,当前head-4, tail-7,当有一个新的元素a入队时, .我们放入下标为7的位置。但这个时候,我们并不把tail更新为8,而是将其在环中后移一位,到下标为0的位置。当再有一个元素b入队时,我们将b放入下标为0的位置,然后tail加1更新为1,所以,在a, b依次入队之后,循环队列中的元素就变成了下面的样子:

队列为空的判断条件是head == tail,但队列满的判断条件就稍微有点复杂了。我画了一张队列满的图,你可以看一下,试着总结一下规律,

就像我图中画的队满的情况, tail=3, head-4, n=8,所以总结一下规律就是: (3+1)%8-4,多画几张队满的图,你就会发现,当队满时, (tail+1)%n=head..你有没有发现,当队列满时,图中的tail指向的位置实际上是没有存储数据的。所以,循环队列会浪费一个数组的存储空间。

解决浪费一个存储空间的思路:定义一个记录队列大小的值size，当这个值与数组大小相等时，表示队列已满，当tail达到最底时，size不等于数组大小时，tail就指向数组第一个位置。当出队时，size—，入队时size++

阻塞队列和并发队列(应用比较广泛)

阻塞队列其实就是在队列基础上增加了阻塞操作。

简单来说,就是在队列为空的时候,从队头取数 , 据会被阻塞。因为此时还没有数据可取,直到队列中有了数据才能返回;如果队列已经满了,那么插入数据的操作就会被阻塞,直到队列中有空闲位置后再插入数据,然后再返回。

你应该已经发现了,上述的定义就是一个"生产者-消费者模型" !是的,我们可以使用阻塞队列,轻松实现一个"生产者-消费者模型" !这种基干阴寒队列实现的"生产者-消费者模型" ,可以有效地协调生产和消费的速度。当"生产 , 者"生产数据的速度过快, "消费者"来不及消费时,存储数据的队列很快就会满了。这个时候,生产者就阻塞等待,直到"消费者"消费了数据, "生产者"才会被唤醒继续"生产而且不仅如此,基于阻塞队列,我们还可以通过协调"生产者"和"消费者"的个数,来提高数据,的处理效率。比如前面的例子,我们可以多配置几个"消费者" ,来应对一个"生产者"

小结:

队列最大的特点就是先进先出,主要的两个操作是入队和出队。

它既可以用数组来实现,也可以用链表来实现。用数组实现的叫顺序队列,用链表实现的叫链式队列。

长在数组实现队列的时候,会有数据搬移操作,要想解决数据搬移的问题,我们就,需要像环一样的循环队列。要想写出没有bug的循环队列实现代码,关键要确定好队空和队满的,判定条件。

阻塞队列、并发队列,底层都还是队列这种数据结构,只不过在之上附加了很多其他功能。阻塞队列就是入队、出队操作可以阴寒,并发队列就是队列的操作多线程安全。

4、递归算法

一、什么是递归？

1.递归是一种非常高效、简洁的编码技巧，一种应用非常广泛的算法，比如DFS深度优先搜索、前中后序二叉树遍历等都是使用递归。
2.方法或函数调用自身的方式称为递归调用，调用称为递，返回称为归。
3.基本上，所有的递归问题都可以用递推公式来表示，比如
f(n) = f(n-1) + 1; 
f(n) = f(n-1) + f(n-2);
f(n)=n*f(n-1);

二、为什么使用递归？递归的优缺点？

1.优点：代码的表达力很强，写起来简洁。
2.缺点：空间复杂度高、有堆栈溢出风险、存在重复计算、过多的函数调用会耗时较多等问题。

三、什么样的问题可以用递归解决呢？

一个问题只要同时满足以下3个条件，就可以用递归来解决：
1.问题的解可以分解为几个子问题的解。何为子问题？就是数据规模更小的问题。
2.问题与子问题，除了数据规模不同，求解思路完全一样
3.存在递归终止条件

四、如何实现递归？

1.递归代码编写
写递归代码的关键就是找到如何将大问题分解为小问题的规律，并且基于此写出递推公式，然后再推敲终止条件，最后将递推公式和终止条件翻译成代码。
2.递归代码理解
对于递归代码，若试图想清楚整个递和归的过程，实际上是进入了一个思维误区。
那该如何理解递归代码呢？如果一个问题A可以分解为若干个子问题B、C、D，你可以假设子问题B、C、D已经解决。而且，你只需要思考问题A与子问题B、C、D两层之间的关系即可，不需要一层层往下思考子问题与子子问题，子子问题与子子子问题之间的关系。屏蔽掉递归细节，这样子理解起来就简单多了。
因此，理解递归代码，就把它抽象成一个递推公式，不用想一层层的调用关系，不要试图用人脑去分解递归的每个步骤。

递归的关键是终止条件
五、递归常见问题及解决方案

1.警惕堆栈溢出：可以声明一个全局变量来控制递归的深度，从而避免堆栈溢出。
2.警惕重复计算：通过某种数据结构来保存已经求解过的值，从而避免重复计算。

六、如何将递归改写为非递归代码？

笼统的讲，所有的递归代码都可以改写为迭代循环的非递归写法。如何做？抽象出递推公式、初始值和边界条件，然后用迭代循环实现。

5、排序

一、排序方法与复杂度归类
（1）几种最经典、最常用的排序方法：冒泡排序、插入排序、选择排序、快速排序、归并排序、计数排序、基数排序、桶排序。
（2）复杂度归类
冒泡排序、插入排序、选择排序 O(n^2)
快速排序、归并排序 O(nlogn)
计数排序、基数排序、桶排序 O(n)

二、如何分析一个“排序算法”？
<1>算法的执行效率
1. 最好、最坏、平均情况时间复杂度。
2. 时间复杂度的系数、常数和低阶。
3. 比较次数，交换（或移动）次数。
<2>排序算法的稳定性
1. 稳定性概念：如果待排序的序列中存在值相等的元素，经过排序之后，相等元素之间原有的先后顺序不变。
2. 稳定性重要性：可针对对象的多种属性进行有优先级的排序。
3. 举例：给电商交易系统中的“订单”排序，按照金额大小对订单数据排序，对于相同金额的订单以下单时间早晚排序。用稳定排序算法可简洁地解决。先按照下单时间给订单排序，排序完成后用稳定排序算法按照订单金额重新排序。
<3>排序算法的内存损耗
原地排序算法：特指空间复杂度是O(1)的排序算法。

常见的排序算法:

冒泡排序

冒泡排序只会操作相邻的两个数据。每次冒泡操作都会对相邻的两个元素进行比较，看是否满足大小关系要求，如果不满足就让它俩互换。

代码:

  public int[] bubbleSort(int[] a) {
        int n = a.length;
        if (n<=1) {
            return a;
        }
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            //提前退出冒泡循环的标志
            boolean flag = false;
            for (int j = 0; j < n-i-1; j++) {
                if (a[j]>a[j+1]) {//
                    int temp = a[j];
                    a[j] = a[j+1];
                    a[j+1] = temp;

                    flag = true;//表示有数据交换
                }
                if (!flag) {
                    break; //没有数据交换(说明已排好序无需再进行冒泡),提前退出
                }
            }
        }
        return a;
    }

四、插入排序

插入排序将数组数据分成已排序区间和未排序区间。初始已排序区间只有一个元素，即数组第一个元素。在未排序区间取出一个元素插入到已排序区间的合适位置，直到未排序区间为空。

代码:

    public int[] insertionSort(int[] a) {
		int n = a.length;
		if (n<=1) return a;
		
		for (int i = 1; i < n; i++) {
			int value = a[i];
			int j = i-1;
			for (; j >=0; j--) {
				if (a[j] > value) {
					a[j+1] = a[j];//移动数据
				}else {
					break;
				}
			}
			a[j+1] = value;//插入数据
		}
		
		return a;
	}

五、选择排序

选择排序将数组分成已排序区间和未排序区间。初始已排序区间为空。每次从未排序区间中选出最小的元素插入已排序区间的末尾，直到未排序区间为空。
代码:

public int[] selectionSort(int[] a) {
		int n = a.length;
		
		for (int i = 0; i < a.length - 1; i++) {
			for (int j = i+1; j < a.length; j++) {
				//交换
				if (a[i] > a[j]) {
					int temp = a[i];
					a[i] = a[j];
					a[j] = temp;
				}
			}
		}
		
		return a;
	}

六、归并排序

如果要排序一个数组,我们先把数组从中间分成前后两部分,然后对前后两部分分别排序,再将排好序的两部分合并在一起,这样整个数组就都有序了。

 实现思路:

merge-sort(p...r)表示,给下标从p到r之间的数组排序。我们将这个排序问题转化为了两个子问 ,题, merge_sort(p...q)和merge-sort(q+1..r),其中下标q等于p和r的中间位置,也就是, (p+r)/2,当下标从p到q和从q+1到r这两个子数组都排好序之后,我们再将两个有序的子数组合并在一起,这样下标从p到r之间的数据就也排好序了。

代码:

 // 归并排序算法, a是数组，n表示数组大小
  public static void mergeSort(int[] a, int n) {
    mergeSortInternally(a, 0, n-1);
  }

  // 递归调用函数
  private static void mergeSortInternally(int[] a, int p, int r) {
    // 递归终止条件
    if (p >= r) return;

    // 取p到r之间的中间位置q
    int q = (p+r)/2;
    // 分治递归
    mergeSortInternally(a, p, q);
    mergeSortInternally(a, q+1, r);

    // 将A[p...q]和A[q+1...r]合并为A[p...r]
    merge(a, p, q, r);
  }

  private static void merge(int[] a, int p, int q, int r) {
    int i = p;
    int j = q+1;
    int k = 0; // 初始化变量i, j, k
    int[] tmp = new int[r-p+1]; // 申请一个大小跟a[p...r]一样的临时数组
   
    // 1 排序
    while (i<=q && j<=r) {
      if (a[i] <= a[j]) {
        tmp[k++] = a[i++]; // i++等于i:=i+1
      } else {
        tmp[k++] = a[j++];
      }
    }

    // 2 判断哪个子数组中有剩余的数据
    int start = i;
    int end = q;
    if (j <= r) {
      start = j;
      end = r;
    }

    // 3 将剩余的数据拷贝到临时数组tmp
    while (start <= end) {
      tmp[k++] = a[start++];
    }

    // 4 将tmp中的数组拷贝回a[p...r]
    for (i = 0; i <= r-p; ++i) {
      a[p+i] = tmp[i];
    }
  }

merge是这样执行的:

代码分析:

七、快速排序

快排的思想:    如果要排序数组中下标从p到r之间的一组数据,我们选择p到r之间的任意一个数据作为pivot (分区点) 。我们遍历p到r之间的数据,将小于pivot的放到左边,将大于pivot的放到右边,将pivot放到中间。经过这一步骤之后,数组p到r之间的数据就被分成了三个部分,前面p到q-1之间都是小于pivot的,中间是pivot,后面的q+1到r之间是大于pivot的。

快排利用的分而治之的思想

八、线性排序:

时间复杂度O(n)

我们把时间复杂度是线性的排序算法叫作线性排序(Linear sort)常见的线性算法有: 桶排序、计数排序、基数排序

特点:

非基于比较的排序算法 

桶排序

桶排序,顾名思义,会用到“桶" ,核心思想是将要排序的数据分到几个有序的桶里,每个桶里的数据再单独进行排序。桶内排完序之后,再把每个桶里的数据按照顺序依次取出,组成的序列就是有序的了。

对排序的数据要求苛刻:

1, 要排序的数据需要很容易就能划分成m个桶,并且,桶与桶之间有着天然的大小顺序。

2 ,数据在各个桶之间的分布是比较均匀的。

3 ,桶排序比较适合用在外部排序中。所谓的外部排序就是数据存储在外部磁盘中,数据量比较大,内存有限，无法将数据全部加载到内存中。

计数排序

计数排序只能用在数据范围不大的场景中,如果数据范围k比要排序的数据n大很多,就不适合用计数排序了。

计数排序只能给非负整数排序,如果要排序的数据是其他类型的,要将其在不改变相对大小的情况下,转化为非负整数。

代码:

 // 计数排序，a是数组，n是数组大小。假设数组中存储的都是非负整数。
  public static void countingSort(int[] a) {
	int n = a.length;
    if (n <= 1) return;

    // 查找数组中数据的范围
    int max = a[0];
    for (int i = 1; i < n; ++i) {
      if (max < a[i]) {
        max = a[i];
      }
    }

    // 申请一个计数数组c，下标大小[0,max]
    int[] c = new int[max + 1];
    for (int i = 0; i < max + 1; ++i) {
      c[i] = 0;
    }

    // 计算每个元素的个数，放入c中
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
      c[a[i]]++;
    }

    // 依次累加
    for (int i = 1; i < max + 1; ++i) {
      c[i] = c[i-1] + c[i];
    }

    // 临时数组r，存储排序之后的结果
    int[] r = new int[n];
    // 计算排序的关键步骤了，有点难理解
    for (int i = n - 1; i >= 0; --i) {
      int index = c[a[i]]-1;
      r[index] = a[i];
      c[a[i]]--;
    }

    // 将结果拷贝会a数组
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
      a[i] = r[i];
    }
  }

散列表

什么是散列表:

散列表用的是数组支持按照下标随机访问数据的特性,所以散列表其实就是数组的一种扩展,由数组演化而来。可以说,如果没有数组,就没有散列表。

原理:

散列表用的就是数组支持按照下标随机访问的时候,时间复杂度是0(1)的特性。我们通过散列函数把元素的键值映射为下标,然后将数据存储在数组中对应下标的位置。当我们按照键值查询元素时,我们用同样的散列函数,将键值转化数组标标,从对应的数组下标的位置取数据。

散列函数的设计要求:

1. 散列函数计算得到的散列值是一个非负整数;.
2. 如果key1 = key2,那hash(key1) == hash(key2);
3. 如果key1 != key2,那hash(key1)  !=  hash(key2),

散列函数的设计不能太复杂,散列函数生成值要尽可能随机并且均匀分布

如果不符合3 那么就出现了散列冲突,散列冲突是无法避免的

解决散列冲突的方法有两种: 

开放寻址法(open addressing)和链表法(chaining)

开放寻址法:如果出现了散列冲突,我们就重新探测一个空闲位置,将其插入。

装在因子:  散列表中一定比例的空闲槽位。公式: 散列表的装载因子 = 填入表中的元素个数 / 散列表的长度

装载因子越大,说明空闲位置越少,冲突越多,散列表的性能会下降。

链表法:

链表法是一种更加常用的散列冲突解决办法,相比开放寻址法,它要简单很多。我们来看这个图,在散列表中,每个"桶(bucket) "或者"槽(slot) "会对应一条链表,所有散列值相同的元素我们都放到相同槽位对应的链表中。

数据结构

1.1 数据结构概述

数据结构是计算机存储、组织数据的方式；通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。数据结构的优良将直接影响着我们程序的性能；常用的数据结构有：数组（Array）、栈（Stack）、队列（Queue）、链表（Linked List）、树（Tree）、图（Graph）、堆（Heap）、散列表（Hash）等；

1.2 数据结构的分类

1.2.1 排列方式

1）集合

集合：数据结构中的元素之间除了“同属一个集合” 的相互关系外，别无其他关系；

2）线性结构

线性结构：数据结构中的元素存在一对一的相互关系；

3）树形结构

树形结构：数据结构中的元素存在一对多的相互关系；

4）图形结构

图形结构：数据结构中的元素存在多对多的相互关系；

1.2.2 逻辑结构

数据结构按逻辑上划分为线性结构与非线性结构；

• 线性结构：有且仅有一个开始结点和一个终端结点，并且所有结点都最多只有一个直接前驱和一个直接后继。

典型的线性表有：链表、栈和队列。它们共同的特点就是数据之间的线性关系，除了头结点和尾结点之外，每个结点都有唯一的前驱和唯一的后继，也就是所谓的一对一的关系。

• 非线性结构：对应于线性结构，非线性结构也就是每个结点可以有不止一个直接前驱和直接后继。常见的非线性结构包括：树、图等。

1.3 数据结构的实现

1.2.1 数组

• 数组（Array）：数组是有序元素的序列，在内存中的分配是连续的，数组会为存储的元素都分配一个下标（索引），此下标是一个自增连续的，访问数组中的元素通过下标进行访问；数组下标从0开始访问；

• 数组的优点是：查询速度快；

• 数组的缺点是：删除增加、删除慢；由于数组为每个元素都分配了索引且索引是自增连续的，因此一但删除或者新增了某个元素时需要调整后面的所有元素的索引；

新增一个元素40到3索引下标位置：

删除2索引元素：

总结：数组查询快，增删慢，适用于频繁查询，增删较少的情况；

1.2.2 链表

• 链表（Linked List）：链表是由一系列节点Node（也可称元素）组成，数据元素的逻辑顺序是通过链表的指针地址实现，通常情况下，每个节点包含两个部分，一个用于存储元素的内存地址，名叫数据域，另一个则指向下一个相邻节点地址的指针，名叫指针域；根据链表的指向不同可分为单向链表、双向链表、循环链表等；我们本章介绍的是单向链表，也是所有链表中最常见、最简单的链表；

链表的节点（Node）：

完整的链表：

• 链表的优点：新增节点、删除节点快；

在链表中新增一个元素：

在单向链表中，新增一个元素最多只会影响上一个节点，比在数组中的新增效率要高的多；

在链表中删除一个元素：

• 链表的缺点：
  • 1）查询速度慢，查询从头部开始一直查询到尾部，如果元素刚好是在最尾部那么查询效率势必非常低；
  • 2）链表像对于数组多了一个指针域的开销，内存相对占用会比较大；

总结：数据量较小，需要频繁增加，删除操作的场景，查询操作相对较少；

1.2.3 栈

• 栈（Stack）：是一种特殊的线性表，仅能在线性表的一端操作，栈顶允许操作，栈底不允许操作。 栈的特点是：先进后出从栈顶放入元素的操作叫入栈（压栈），取出元素叫出栈（弹栈）。

入栈操作：

出栈操作：

栈的特点：先进后出，Java中的栈内存就是一个栈的数据结构，先调用的方法要等到后调用的方法结束才会弹栈（出栈）；

1.2.4 队列

• 队列（Queue）：队列与栈一样，也是一种线性表，其限制是仅允许在表的一端进行插入，而在表的另一端进行删除。队列的特点是先进先出，从一端放入元素的操作称为入队，取出元素为出队；

队列的特点：先进先出；

1.2.5 树

树是一种数据结构，它是由n（n>=1）个有限节点组成一个具有层次关系的集合。把它叫做 “树” 是因为它看起来像一棵倒挂的树，也就是说它是根朝上，而叶朝下的。它具有以下的特点：

• 1）每个节点有0个或多个子节点；
• 2）没有父节点的节点称为根节点；
• 3）每一个非根节点有且只有一个父节点；
• 4）除了根节点外，每个子节点可以分为多个不相交的子树；
• 5）右子树永远比左子树大，读取顺序从左到右；

树的分类有非常多种，平衡二叉树（AVL）、红黑树RBL（R-B Tree）、B树（B-Tree）、B+树（B+Tree）等，但最早都是由二叉树演变过去的；

二叉树的特点：每个结点最多有两颗子树

1.2.6 堆

• 堆（Heap）：堆可以看做是一颗用数组实现的二叉树，所以它没有使用父指针或者子指针。堆根据“堆属性”来排序，“堆属性”决定了树中节点的位置。

堆的特性：如果一个结点的位置为k，则它的父结点的位置为[k/2]，而它的两个子结点的位置则分别为2k和2k+1。这样，在不使用指针的情况下，我们也可以通过计算数组的索引在树中上下移动：从arr[k]向上一层，就令k等于k/2,向下一层就令k等于2k或2k+1。

堆的定义如下：n个元素的序列{k1,k2,ki,…,kn}当且仅当满足下关系时，称之为堆；

(ki <= k2i,ki <= k2i+1)或者(ki >= k2i,ki >= k2i+1)满足前者的表达式的成为小顶堆（小根堆），满足后者表达式的为大顶堆（大根堆），很明显我们上面画的堆数据结构是一个大根堆；

大小根堆数据结构图：

一般来说将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆，根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。常见的堆有二叉堆、斐波那契堆等。

1.2.7 散列表

• 散列表（Hash），也叫哈希表，是根据键和值 (key和value) 直接进行访问的数据结构，通过key和value来映射到集合中的一个位置，这样就可以很快找到集合中的对应元素。它利用数组支持按照下标访问的特性，所以散列表其实是数组的一种扩展，由数组演化而来。

散列表首先需要根据key来计算数据存储的位置，也就是数组索引的下标；

• HashValue=hash(key)

散列表就是把Key通过一个固定的算法函数既所谓的哈希函数转换成一个整型数字，然后就将该数字对数组长度进行取余，取余结果就当作数组的下标，将value存储在以该数字为下标的数组空间里，这种存储空间可以充分利用数组的查找优势来查找元素，所以查找的速度很快。

在散列表中，左边是个数组，数组的每个成员包括一个指针，指向一个链表的头，当然这个链表可能为空，也可能元素很多。我们根据元素的一些特征把元素分配到不同的链表中去，也是根据这些特征，找到正确的链表，再从链表中找出这个元素。

1.2.8 图

• 图（Graph）：图是一系列顶点（元素）的集合，这些顶点通过一系列边连接起来组成图这种数据结构。顶点用圆圈表示，边就是这些圆圈之间的连线。顶点之间通过边连接。

图分为有向图和无向图：

• 有向图：边不仅连接两个顶点，并且具有方向；
• 无向图：边仅仅连接两个顶点，没有其他含义；

例如，我们可以把图这种数据结构看做是一张地图：

地图中的城市我们看做是顶点，高铁线路看做是边；很显然，我们的地图是一种无向图，以长沙到上海为例，经过的城市有长沙、南昌、杭州、上海等地；那么从上海也可以按照原有的路线进行返回；

实现了图这种数据结构之后我们可以在此数据结构上做一些复杂的算法计算，如广度优先搜索算法、深度优先搜索算法等；

• 广度搜索：搜索到一个顶点时，先将此顶点的所有子顶点全部搜索完毕，再进行下一个子顶点的子顶点搜索；

例如上图：以武汉为例进行广度搜索，

1）首先搜索合肥、南昌、长沙等城市；

2）通过合肥搜索到南京；

3）再通过南昌搜索到杭州、福州，

4）最终通过南京搜索到上海；完成图的遍历搜索；

不通过南京搜索到杭州是因为已经通过南昌搜索到杭州了，不需要再次搜索；

• 深度搜索：搜索到一个顶点时，先将此顶点某个子顶点搜索到底部（子顶点的子顶点的子顶点…），然后回到上一级，继续搜索第二个子顶点一直搜索到底部；

例如上图：以武汉为例进行深度搜索，

1）首先搜索合肥、南京、上海等城市；

2）回到武汉，进行第二子顶点的搜索，搜索南昌、杭州等地；

3）回到南昌，搜索福州；

4）回到武汉，搜索长沙；

图是一种比较复杂的数据结构，在存储数据上有着比较复杂和高效的算法，分别有邻接矩阵 、邻接表、十字链表、邻接多重表、边集数组等存储结构。我们本次了解到这里即可；

记得点赞！！！