Java数据结构与算法：实战案例详解

数据结构和算法是程序高效性的关键要素。Java 中常用的数据结构包括数组、链表、栈和二叉树。常见算法包括快速排序和二分查找。本文通过实战案例，深入浅出地讲解这些概念：数组：连续存储同类型元素，如学生成绩。链表：元素通过指针链接，如模拟队列。栈：遵循 LIFO 原则，如跟踪函数调用。二叉树：树形数据结构，如文件系统目录。快速排序：分治策略，将数组分成两部分分别排序。二分查找：对有序数组进行二分查找，缩小搜索范围。

Java 数据结构与算法：实战案例详解

引言

数据结构和算法是计算机科学的基础，它们决定了程序的效率和鲁棒性。本文将通过一系列实战案例，深入浅出地讲解 Java 中常用的数据结构和算法。

数组

定义：连续内存空间中存储同类型元素的集合。

实战案例：存储学生成绩

int[] scores = {90, 85, 78, 95, 82};

链表

定义：元素通过指针链接的线性数据结构。

实战案例：模拟队列

class Node {
    int value;
    Node next;
}

class Queue {
    Node head;
    Node tail;

    public void enqueue(int value) {
        Node newNode = new Node();
        newNode.value = value;
        if (head == null) {
            head = newNode;
            tail = newNode;
        } else {
            tail.next = newNode;
            tail = newNode;
        }
    }

    public int dequeue() {
        if (head == null) {
            throw new RuntimeException("Queue is empty");
        }

        int value = head.value;
        head = head.next;
        if (head == null) {
            tail = null;
        }
        return value;
    }
}

栈

定义：遵循后进先出 (LIFO) 原则的线性数据结构。

实战案例：跟踪函数调用

class Stack<T> {
    private List<T> elements = new ArrayList<>();

    public void push(T element) {
        elements.add(element);
    }

    public T pop() {
        if (elements.isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("Stack is empty");
        }
        return elements.remove(elements.size() -1);
    }

    public T peek() {
        if (elements.isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("Stack is empty");
        }
        return elements.get(elements.size() -1);
    }
}

二叉树

定义：包含一个根节点和零个或多个子节点的树形数据结构。

实战案例：文件系统目录

class TreeNode {
    private String name;
    private List<TreeNode> children;

    // ... 其他代码
}

class FileSystem {
    private TreeNode root;

    // ... 其他代码
}

排序算法

快速排序

描述：分治策略，将数组分成两部分，分别排序，然后合并。

实战案例：排序一组数字

public static void quickSort(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length <= 1) {
        return;
    }

    int pivot = arr[0];
    int leftIndex = 0;
    int rightIndex = arr.length - 1;

    while (leftIndex < rightIndex) {
        while (arr[rightIndex] >= pivot && rightIndex > leftIndex) {
            rightIndex--;
        }
        arr[leftIndex] = arr[rightIndex];

        while (arr[leftIndex] <= pivot && rightIndex > leftIndex) {
            leftIndex++;
        }
        arr[rightIndex] = arr[leftIndex];
    }
    arr[leftIndex] = pivot;

    quickSort(arr, 0, leftIndex - 1);
    quickSort(arr, leftIndex + 1, arr.length - 1);
}

查找算法

二分查找

描述：对有序数组进行二分查找，逐级缩小搜索范围。

实战案例：查找数组中的一个元素

public static int binarySearch(int[] arr, int target) {
    int left = 0;
    int right = arr.length - 1;

    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;

        if (arr[mid] == target) {
            return mid;
        } else if (arr[mid] < target) {
            left = mid + 1;
        } else {
            right = mid - 1;
        }
    }
    return -1;
}

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