Java資料結構與演算法：實戰案例詳解

資料結構和演算法是程式高效性的關鍵要素。 Java 中常用的資料結構包括陣列、鍊錶、堆疊和二元樹。常見演算法包括快速排序和二分查找。本文透過實戰案例，深入淺出地解釋這些概念：陣列：連續儲存同類型元素，如學生成績。鍊錶：元素透過指針鏈接，如模擬隊列。堆疊：遵循 LIFO 原則，如追蹤函數呼叫。二元樹：樹形資料結構，如檔案系統目錄。快速排序：分治策略，將陣列分成兩部分分別排序。二分查找：有序數組進行二分查找，縮小搜尋範圍。

Java 資料結構與演算法：實戰案例詳解

引言

數據結構和演算法是電腦科學的基礎，它們決定了程式的效率和穩健性。本文將透過一系列實戰案例，深入淺出地講解 Java 中常用的資料結構與演算法。

陣列

定義：連續記憶體空間中儲存同類型元素的集合。

實戰案例：儲存學生成績

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

鍊錶

定義：元素透過指標連結的線性資料結構。

實戰案例：模擬佇列

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;
    }
}

堆疊

定義：遵循後進先出( LIFO) 原則的線性資料結構。

實戰案例：追蹤函數呼叫

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);
    }
}

二叉樹

定義：包含一個根節點和零個或多個子節點的樹狀資料結構。

實戰案例：檔案系統目錄

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

    // ... 其他代码
}

class FileSystem {
    private TreeNode root;

    // ... 其他代码
}

#排序演算法

快速排序

描述：分治策略，將陣列分成兩部分，分別排序，然後合併。

實戰案例：排序一組數字

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);
}

找出演算法

二分查找

說明：對有序數組進行二分查找，逐級縮小搜尋範圍。

實戰案例：找出陣列中的一個元素

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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