数据结构 [Java版本] 稀疏数组和队列

实际需求

编写的五子棋程序中，有存盘退出和续上盘的功能

五子棋

分析问题:
因为该二维数组的很多值是默认值0, 因此记录了很多没有意义的数据 =>稀疏数组

稀疏数组

基本介绍

当一个数组中大部分元素为０，或者为同一个值的数组时，可以使用稀疏数组来保存该数组。

稀疏数组的处理方法是:

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的数组中，从而缩小程序的规模

举例说明

原始数组

稀疏数组

应用实例

1.使用稀疏数组，来保留类似前面的二维数组(棋盘、地图等等)
2.把稀疏数组存盘，并且可以从新恢复原来的二维数组数
3.整体思路分析

思路分析

流程分析

二维数组转稀疏数组的思路

遍历原始的二维数组，得到有效数据的个数 sum

根据sum 就可以创建稀疏数组 sparseArr int[sum + 1] [3]

将二维数组的有效数据数据存入到稀疏数组

稀疏数组转原始的二维数组的思路

先读取稀疏数组的第一行，根据第一行的数据，创建原始的二维数组，比如上面的 chessArr2 = int [11][11]

在读取稀疏数组后几行的数据，并赋给原始的二维数组即可.

4.代码实现

package cn.icanci.algorithm.sparsearray;

import java.util.Arrays;

import java.io.*;

/**
 * @Author: icanci
 * @ProjectName: AlgorithmAndDataStructure
 * @PackageName: cn.icanci.algorithm.sparsearray
 * @Date: Created in 2020/2/28 9:57
 * @ClassAction: 稀疏数组
 */
public class SparseArray {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个原始的二维数组 11*11
        // 0:表示没有棋子 1:表示是黑子 2:表示是白子
        int chaessArr1[][] = new int[11][11];
        chaessArr1[1][2] = 1;
        chaessArr1[2][4] = 2;
        chaessArr1[4][8] = 2;
        chaessArr1[5][2] = 2;
        //输出二位数组
        for (int i = 0; i < chaessArr1.length; i++) {
            for (int j = 0; j < chaessArr1[0].length; j++) {
                System.out.print(chaessArr1[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
        System.out.println("二维数组转换为 稀疏数组");
        //转换为 稀疏数组
        //1.遍历二维数组 得到行数和列数 得到非零的个数
        int count = 0;
        for (int i = 0; i < chaessArr1.length; i++) {
            for (int j = 0; j < chaessArr1[0].length; j++) {
                if (chaessArr1[i][j] != 0) {
                    count++;
                }
            }
        }
        //创建稀疏数组
        int rows = chaessArr1.length;
        int cols = chaessArr1[0].length;
        int[][] sparseArr = new int[count + 1][3];
        sparseArr[0][0] = rows;
        sparseArr[0][1] = cols;
        sparseArr[0][2] = count;
        //为稀疏数组赋值
        int num = 0;
        for (int i = 0; i < chaessArr1.length; i++) {
            for (int j = 0; j < chaessArr1[0].length; j++) {
                if (chaessArr1[i][j] != 0) {
                    num++;
                    sparseArr[num][0] = i;
                    sparseArr[num][1] = j;
                    sparseArr[num][2] = chaessArr1[i][j];
                }
            }
        }
        //打印系数数组
        for (int i = 0; i < sparseArr.length; i++) {
            for (int j = 0; j < sparseArr[0].length; j++) {
                System.out.print(sparseArr[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }

        //把系数数组转换为二维数组
        System.out.println("把系数数组转换为二维数组");
        //创建 二维数组
        int[][] chaessArr2 = new int[sparseArr[0][0]][sparseArr[0][1]];
        for (int i = 1; i < sparseArr.length; i++) {
            chaessArr2[sparseArr[i][0]][sparseArr[i][1]] = sparseArr[i][2];
        }
        //输出二位数组
        for (int i = 0; i < chaessArr2.length; i++) {
            for (int j = 0; j < chaessArr2[0].length; j++) {
                System.out.print(chaessArr2[i][j] + " ");
            }
            System.out.println();
        }
        FileOutputStream fos = null;
        FileInputStream fis = null;
        try {
            fos = new FileOutputStream("data.bin");
            for (int i = 0; i < sparseArr.length; i++) {
                for (int j = 0; j < sparseArr[0].length; j++) {
                    fos.write(sparseArr[i][j]);
                }
            }
            fis = new FileInputStream("data.bin");
            int len = 0;
            StringBuilder sb = new StringBuilder(16);
            while ((len = fis.read()) != -1) {
                sb.append(len+" ");
            }
            //然后这里可以把字符串转换为数组 就变成系数数组了
            System.out.println(sb.toString());
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                fos.close();
                fis.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

队列

银行排队的案例

队列的介绍

是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。
遵循先入先出的原则。即：先存入队列的数据，要先取出。后存入的要后取出
示意图：(使用数组模拟队列示意图)

队列

数组模拟队列

队列本身是有序列表，若使用数组的结构来存储队列的数据，则队列数组的声明如下图, 其中 maxSize 是该队列的最大容量。

因为队列的输出、输入是分别从前后端来处理，因此需要两个变量 front及 rear分别记录队列前后端的下标，front 会随着数据输出而改变，而 rear则是随着数据输入而改变，如图所示:

数组模拟队列

当我们将数据存入队列时称为”addQueue”，addQueue 的处理需要有两个步骤：思路分析
将尾指针往后移：rear+1 , 当front == rear 【空】
若尾指针 rear 小于队列的最大下标 maxSize-1，则将数据存入 rear所指的数组元素中，否则无法存入数据。 rear == maxSize - 1[队列满]

代码实现

数组模拟队列

出队列操作getQueue
显示队列的情况showQueue
查看队列头元素headQueue
退出系统exit

package cn.icanci.datastructure.queue;

import javax.swing.text.html.CSS;
import java.util.Scanner;

/**
 * @Author: icanci
 * @ProjectName: AlgorithmAndDataStructure
 * @PackageName: cn.icanci.datastructure.queue
 * @Date: Created in 2020/2/28 12:09
 * @ClassAction: 实用数组模拟队列
 */
public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建队列对象
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(5);
        char key = ' ';
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop) {
            System.out.println("s(Show):显示队列");
            System.out.println("e(Exit):退出");
            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):查看头部数据");
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'e':
                    loop = false;
                    scanner.close();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.print("请输入你要保存的值:");
                    int num = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(num);
                    break;
                case 'g':
                    System.out.println(arrayQueue.getQueue());
                    break;
                case 'h':
                    arrayQueue.showQueueFront();
                    break;
                default:
                    System.out.println("你的输入有误");
                    break;
            }
        }

    }
}

/**
 * 实用数组模拟队列 编写一个ArrayQueue的类
 */
class ArrayQueue {
    //数组的最大容量
    private int maxSize;
    //队列头部
    private int front;
    //队列尾部
    private int rear;
    //模拟队列的数组
    private int[] arr;

    //创建队列的构造器

    public ArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        arr = new int[maxSize];
        //队列头 前一个位置
        front = -1;
        //队列尾 就是尾部(包含)
        rear = -1;
    }

    //判断队列是不是满了
    public boolean isFull() {
        return rear == maxSize - 1;
    }

    //判断队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    //添加数据到队列
    public void addQueue(int n) {
        //判断队列是不是已经满了
        if (this.isFull()) {
            System.out.println("队列已经满了,不能再加入");
        } else {
            rear++;
            arr[rear] = n;
        }
    }

    //获取数据
    public int getQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (this.isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,不能取出数据");
        } else {
            front++;
            return arr[front];
        }
    }

    //显示数据所有的数据
    public void showQueue() {
        //遍历
        if (this.isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空");
        } else {
            for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
                System.out.println("arr[" + i + "]:" + arr[i]);
            }
        }
    }

    //显示队列头数据
    public void showQueueFront() {
        if (this.isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空");
        } else {
            System.out.println(arr[front + 1]);
        }
    }
}

问题分析并优化

数组只能使用而且数组还是有数据的没有达到复用的效果
解决方案:将这个数组使用算法,改进成一个环形的队列取模 %

使用数组模拟环形队列的思路分析

思路如下:

front 变量的含义做一个调整： front 就指向队列的第一个元素, 也就是说 arr[front] 就是队列的第一个元素 front 的初始值 = 0

rear 变量的含义做一个调整：rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置. 因为希望空出一个空间做为约定.rear 的初始值 = 0

当队列满时，条件是 (rear + 1) % maxSize == front 【满】

对队列为空的条件， rear == front 空

当这样分析，队列中有效的数据的个数 (rear + maxSize - front) % maxSize // rear = 1 front = 0

就可以在原来的队列上修改得到，一个环形队列

思路分析

代码实现

package cn.icanci.datastructure.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @Author: icanci
 * @ProjectName: AlgorithmAndDataStructure
 * @PackageName: cn.icanci.datastructure.queue
 * @Date: Created in 2020/2/28 12:09
 * @ClassAction: 实用数组模拟环形队列
 */
public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建队列对象
        //设置为5 最大为4
        CircleArrayQueue arrayQueue = new CircleArrayQueue(5);
        char key = ' ';
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop) {
            System.out.println("s(Show):显示队列");
            System.out.println("e(Exit):退出");
            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):查看头部数据");
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'e':
                    loop = false;
                    scanner.close();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.print("请输入你要保存的值:");
                    int num = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(num);
                    break;
                case 'g':
                    System.out.println(arrayQueue.getQueue());
                    break;
                case 'h':
                    arrayQueue.showQueueFront();
                    break;
                default:
                    System.out.println("你的输入有误");
                    break;
            }
        }

    }
}

/**
 * 实用数组模拟队列 编写一个ArrayQueue的类
 */
class CircleArrayQueue {
    //数组的最大容量
    private int maxSize;
    //队列头部
    //front 变量的含义做一个调整： front 就指向队列的第一个元素, 也就是说 arr[front] 就是队列的第一个元素
    private int front;
    //队列尾部
    //rear 变量的含义做一个调整：rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置. 因为希望空出一个空间做为约定.
    private int rear;
    //模拟队列的数组
    private int[] arr;

    //创建队列的构造器

    public CircleArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        arr = new int[maxSize];
        //队列头 前一个位置
        front = 0;
        //队列尾 就是尾部(包含)
        rear = 0;
    }

    //判断队列是不是满了
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    //判断队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    //添加数据到队列
    public void addQueue(int n) {
        //判断队列是不是已经满了
        if (this.isFull()) {
            System.out.println("队列已经满了,不能再加入");
        } else {
            //直接放到数据
            arr[rear] = n;
            //把 rear 后移 这里必须考虑取模
            rear = (rear + 1) % maxSize;
        }
    }

    //获取数据
    public int getQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (this.isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,不能取出数据");
        } else {
            //这里需要分析front是指向队列的第一个元素
            //1.先把front对应的值保留到一个临时变量
            //2.front后移考虑取模
            //将保存的数据返回
            int value = arr[front];
            front = (front + 1) % maxSize;
            return value;
        }
    }

    //显示数据所有的数据
    public void showQueue() {
        //遍历
        if (this.isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空");
        } else {
            //思路 从 front进行遍历 遍历多少个元素
            for (int i = front; i < front + size(); i++) {
                System.out.println("arr[" + i % maxSize + "]:" + arr[i % maxSize]);
            }
        }
    }

    //求出当前队列的有效数据
    public int size() {
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    //显示队列头数据
    public void showQueueFront() {
        if (this.isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空");
        } else {
            System.out.println(arr[front]);
        }
    }
}

数据结构 [Java版本] 稀疏数组和队列

实际需求

稀疏数组

举例说明

应用实例

队列

银行排队的案例

队列的介绍

数组模拟队列

代码实现

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