一、稀疏数组
1. 应用场景和介绍
编写的五子棋程序中，有存盘退出和继续上盘的功能。
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该二维数组的很多值都是默认值 0，因此记录了很多无意义的数据，所以可以使用稀疏数组来保存该数组。
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稀疏数组的处理方法：
- 记录数组一共有几行几列，有多少个不同的值
- 把具有不同值的元素的行列及值记录在一个小规模数组中，从而缩小规模
- 稀疏数组列数是固定 3 列，行数根据原始二维数组而定
2. 稀疏数组转换的思路
二维数组转稀疏数组：
- 遍历原始的二维数组，得到有效数据的个数 sum
- 根据 sum 可创建稀疏数组 spareArr int[sum+1][3]
- 将二维数组的有效数据存入稀疏数组
稀疏数组转二维数组：
- 先读取稀疏数组的第一行，根据第一行的数据，创建原始二维数组，比如刚才的棋盘 newChessArr = int[11][11]
- 再读取稀疏数组后几行的数据，并赋值给原始二维数组
3. 代码实现
package com.github.wangpeng1994.datastructure.sparsearray;
public class SparseArray {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个原始二维数组，如 11x11
int[][] twoDArr = new int[11][11];
twoDArr[1][2] = 1;
twoDArr[2][3] = 2;
twoDArr[3][0] = 1;
for (int[] row : twoDArr) {
for (int data : row) {
System.out.printf("%d\t", data);
}
System.out.println();
}
int[][] sparseArr = twoDArr2SparseArr(twoDArr);
SparseArr2TwoDArr(sparseArr);
}
/**
* 二维数组 转 稀疏数组
*
* @param twoDArr 原始二维数组
* @return 转换后的稀疏数组
*/
private static int[][] twoDArr2SparseArr(int[][] twoDArr) {
int rows = twoDArr.length;
int cols = twoDArr[0].length;
// 1. 遍历二维数组得到非零数据的总数
int sum = 0;
for (int i = 0; i < rows; i++) {
for (int j = 0; j < cols; j++) {
if (twoDArr[i][j] != 0) {
sum++;
}
}
}
// 2. 创建相应稀疏数组并为第一行赋值
int[][] sparseArr = new int[sum + 1][3];
sparseArr[0][0] = rows;
sparseArr[0][1] = cols;
sparseArr[0][2] = sum;
// 3. 再次遍历二维数组将有效数据填充到稀疏数组中
int count = 0; // 用于记录有效数据在稀疏数组中应处的行数
for (int i = 0; i < rows; i++) {
for (int j = 0; j < cols; j++) {
if (twoDArr[i][j] != 0) {
count++;
sparseArr[count][0] = i;
sparseArr[count][1] = j;
sparseArr[count][2] = twoDArr[i][j];
}
}
}
// 输出稀疏数组
for (int[] row : sparseArr) {
System.out.printf("%d\t%d\t%d\n", row[0], row[1], row[2]);
}
return sparseArr;
}
/**
* 稀疏数组 恢复到 原始二维数组
*
* @param sparseArr 稀疏数组
* @return 原始二维数组
*/
private static int[][] SparseArr2TwoDArr(int[][] sparseArr) {
// 1. 读取稀疏数组第一行的数据，创建原始二维数组
int[][] twoDArr = new int[sparseArr[0][0]][sparseArr[0][1]];
// 2. 再读取稀疏数组其余行的数据，恢复原始二维数组
for (int i = 1; i < sparseArr.length; i++) {
twoDArr[sparseArr[i][0]][sparseArr[i][1]] = sparseArr[i][2];
}
// 输出恢复后的二维数组
for (int[] row : twoDArr) {
for (int data : row) {
System.out.printf("%d\t", data);
}
System.out.println();
}
return twoDArr;
}
}
二、队列
1. 应用场景和介绍
- 队列是一个有序列表，可以用数组或者链表来实现
- 遵循先入先出（FIFO）的原则，即：先存入队列的数据，要先取出；后存入队列的数据要后取出
- 从尾部存入，从头部取出
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2. 数组模拟队列
2.1 思路分析
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队列本身是有序列表，若用数组来模拟，需要定义一些指针和操作时的判断条件。
front：指向队列头部前一个位置，初始值为 -1
rear：指向队列尾部数据，初始值为 -1
判断队列空：rear == front
判断队列满：rear == maxSize - 1
队列有效容量：maxSize
2.2 代码实现
package com.github.wangpeng1994.datastructure.queue;
public class ArrayQueue {
private int maxSize;
private int front;
private int rear;
private int[] arr;
public ArrayQueue(int maxSize) {
this.maxSize = maxSize;
arr = new int[maxSize];
front = -1; // 指向队列头部前一个位置
rear = -1; // 指向队列尾
}
// 判断队列是否满
public boolean isFull() {
return rear == maxSize - 1;
}
// 判断队列是否空
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
// 添加数据到队列
public boolean addQueue(int e) {
if (isFull()) {
System.out.println("队列已满，添加失败");
return false;
}
arr[++rear] = e; // rear后移，并从尾部添加数据
return true;
}
// 获取队列数据，出队列
public int getQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
}
return arr[++front]; // front后移，并从头部取出数据
}
// 显示队列的所有数据
public void showQueue() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据");
return;
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
}
}
// 显示队列头部数据，但不取出
public int headQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
}
return arr[front + 1];
}
}
package com.github.wangpeng1994.datastructure.queue;
import java.util.Scanner;
public class ArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
// 测试数组模拟队列基础款
ArrayQueue queue = new ArrayQueue(4);
// 测试数组模拟环形队列
CircleArrayQueue queue = new CircleArrayQueue(4);
char key = ' '; // 接受用户输入
Scanner scanner = new Scanner(System.in); // 扫描标准输入
boolean loop = true;
// 创建菜单
while (loop) {
System.out.println("\ns(show): 显示队列");
System.out.println("e(exit): 退出程序");
System.out.println("a(add): 添加数据到队列");
System.out.println("g(get): 从队列取出数据");
System.out.println("h(head): 查看队列头部数据\n");
key = scanner.next().charAt(0); // 等待输入一个字符
switch (key) {
case 's':
queue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("输入一个数");
int value = scanner.nextInt(); // 等待输入一个数字
queue.addQueue(value);
break;
case 'g':
try {
int res = queue.getQueue();
System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h':
try {
int res = queue.headQueue();
System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e':
scanner.close();
loop = false;
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出");
}
}
3. 数组模拟环形队列
3.2 思路分析
存在的问题和优化方式：
- 刚才的实现中，数组使用一次就不能用了，没有达到复用的效果
- 把该数组改进成一个环形的队列（通过取模来实现，防止数组越界）
下面使用 数组模拟环形队列来做到重复使用的目的。
front：指向队列头部数据，初始值为 0
rear：指向队列尾部后一个位置，初始值为 0
判断队列空：rear == front
判断队列满：(rear + 1) % maxSize
队列有效容量：maxSize - 1（空出一个位置便于计算）
计算队列中有效数据的个数：(rear + maxSize - front) % maxSize
3.3 代码实现
package com.github.wangpeng1994.datastructure.queue;
public class CircleArrayQueue {
private int maxSize; // 表示数组最大容量，实际有效数据容量为 maxSize - 1，预留一个空位方便计算
private int front; // front 指向队列的第一个元素，初始值为 0
private int rear; // rear 指向队列最后一个元素的后一个位置，初始值为 0
private int[] arr;
public CircleArrayQueue(int maxSize) {
this.maxSize = maxSize;
arr = new int[maxSize];
}
// 判断队列是否满
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
// 判断队列是否空
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
// 添加数据到队列
public boolean addQueue(int n) {
if (isFull()) {
System.out.println("队列已满，添加失败");
return false;
}
// 直接将数据加入
arr[rear] = n;
// 将 rear 后移，这里必须考虑取模
rear = (rear + 1) % maxSize;
return true;
}
// 获取队列数据，出队列
public int getQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
}
// 直接从 front 取出头部数据
int value = arr[front];
// 将 front 后移，
front = (front + 1) % maxSize;
return value;
}
// 显示队列的所有数据
public void showQueue() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据");
return;
}
// 思路：从 front 开始遍历有效的元素
for (int i = front; i < front + size(); i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
}
}
// 求出当前队列有效数据的个数
public int size() {
return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}
// 显示队列头部数据，但不取出
public int headQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
}
return arr[front];
}
}
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