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java手动实现常见数据结构

article 2025/2/10 16:09:00

在 Java 中，常用的数据结构可以通过 集合框架（Collections Framework） 实现，也可以手动实现。以下是常见数据结构及其特点，以及对应的 Java 实现示例：

1. 数组（Array）

特点：固定大小、内存连续、随机访问高效。
用途：存储固定数量的元素。

Java 实现：

int[] array = new int[5]; // 静态数组
array[0] = 10;

2. 动态数组（ArrayList）

特点：基于数组实现，支持动态扩容，随机访问高效（O(1)），插入/删除低效（O(n)）。
用途：需要频繁随机访问的场景。

Java 实现：

import java.util.ArrayList;
ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(10);        // 添加元素
int value = list.get(0); // 访问元素

3. 链表（LinkedList）

特点：基于双向链表实现，插入/删除高效（O(1)），随机访问低效（O(n)）。
用途：频繁插入/删除的场景。

Java 实现：

import java.util.LinkedList;
LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.add(10);          // 添加元素
linkedList.addFirst(5);      // 头部插入
int first = linkedList.getFirst(); // 访问头部元素

4. 栈（Stack）

特点：后进先出（LIFO），支持 push 和 pop 操作。
用途：函数调用栈、表达式求值。

Java 实现（推荐使用 Deque）：

import java.util.ArrayDeque;
ArrayDeque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();
stack.push(10); // 压栈
int top = stack.pop(); // 弹栈

5. 队列（Queue）

特点：先进先出（FIFO），支持 offer 和 poll 操作。
用途：任务调度、广度优先搜索（BFS）。

Java 实现：

import java.util.Queue;
import java.util.LinkedList;
Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
queue.offer(10); // 入队
int head = queue.poll(); // 出队

6. 哈希表（HashMap）

特点：基于哈希表实现，键值对存储，查找高效（平均 O(1)），无序。
用途：快速查找、去重。

Java 实现：

import java.util.HashMap;
HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("Alice", 25); // 添加键值对
int age = map.get("Alice"); // 查找

7. 树（TreeSet/TreeMap）

特点：基于红黑树实现，元素自动排序（按自然顺序或自定义比较器），查找/插入/删除时间复杂度为 O(log n)。
用途：需要有序存储的场景。

Java 实现：

import java.util.TreeSet;
TreeSet<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add(10);
treeSet.add(5); // 自动排序为 [5, 10]

8. 堆（PriorityQueue）

特点：基于堆（默认最小堆）实现，元素按优先级排序。
用途：任务调度、求 Top K 问题。

Java 实现：

import java.util.PriorityQueue;
PriorityQueue<Integer> heap = new PriorityQueue<>();
heap.offer(10);
heap.offer(5); // 堆顶为 5
int min = heap.poll(); // 弹出最小值 5

9. 图（Graph）

特点：节点和边的集合，通常通过邻接表或邻接矩阵实现。
用途：社交网络、路径规划。

Java 实现（邻接表）：

import java.util.*;
class Graph {
    private Map<Integer, List<Integer>> adjacencyList = new HashMap<>();
    
    public void addEdge(int src, int dest) {
        adjacencyList.computeIfAbsent(src, k -> new ArrayList<>()).add(dest);
        adjacencyList.computeIfAbsent(dest, k -> new ArrayList<>()).add(src); // 无向图
    }
}

10. 集合（Set）

特点：不允许重复元素。

Java 实现（HashSet 和 TreeSet）：

import java.util.HashSet;
HashSet<String> set = new HashSet<>();
set.add("Apple");
set.add("Apple"); // 重复元素会被忽略

11. 双向队列（Deque）

特点：支持两端插入和删除。
用途：滑动窗口、双端操作。

Java 实现：

import java.util.ArrayDeque;
ArrayDeque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();
deque.addFirst(10);
deque.addLast(20);
int first = deque.removeFirst();

12. 自定义链表（手动实现）

class Node {
    int data;
    Node next;
    Node(int data) {
        this.data = data;
        this.next = null;
    }
}

class LinkedList {
    Node head;
    
    public void add(int data) {
        Node newNode = new Node(data);
        if (head == null) {
            head = newNode;
        } else {
            Node current = head;
            while (current.next != null) {
                current = current.next;
            }
            current.next = newNode;
        }
    }
}