Java 中常见的数据结构算法及其应用

在Java编程中，选择合适的数据结构对程序的性能和可维护性至关重要。本文将详细介绍Java中常见的数据结构及其应用场景，包括数组、链表、栈、队列、双端队列、集合、映射、堆、树、图和列表。

1. 数组 (Array)

数组是一种基础的数据结构，用于存储固定大小的相同类型元素的集合。它使用连续的内存空间存储，因此可以通过索引快速访问元素。数组的主要缺点是大小固定，且插入和删除操作效率较低。

定义和初始化数组：

// 方法一：指定数组类型和大小，元素会自动初始化为其默认值（整数为0）
int[] numbers = new int[5];// 方法二：使用数组字面量直接初始化数组
int[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

应用场景：

需要快速访问元素的场景，例如实现栈和队列。
固定大小的集合，例如保存一周的温度记录。

学习更多请参考：Java 数组详解：定义、操作与应用

2. 链表 (Linked List)

链表由节点组成，每个节点包含数据和一个指向下一个节点的引用。链表可以是单链表（单向）或双链表（双向）。相比数组，链表在插入和删除操作上更为高效，但访问速度较慢。

定义单链表节点类：

class ListNode {int val;ListNode next;ListNode(int x) { val = x; }
}

应用场景：

动态大小的集合，频繁的插入和删除操作。
实现复杂数据结构，如栈、队列和图。

3. 栈 (Stack)

栈是一种LIFO（后进先出）的数据结构，只能在一端（栈顶）进行插入和删除操作。Java中可以使用 Stack 类或 Deque 接口实现栈。

使用Stack类：

Stack<Integer> stack = new Stack<>();
stack.push(1);
stack.push(2);
System.out.println(stack.pop()); // 输出：2
System.out.println(stack.peek()); // 输出：1

应用场景：

表达式求值（例如中缀表达式转后缀表达式）。
回溯算法（如深度优先搜索）。

4. 队列 (Queue)

队列是一种FIFO（先进先出）的数据结构，元素在一端（队尾）添加，在另一端（队头）删除。Java中可以使用 Queue 接口及其实现类，如 LinkedList。

使用LinkedList实现队列：

Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
queue.offer(1);
queue.offer(2);
System.out.println(queue.poll()); // 输出：1
System.out.println(queue.peek()); // 输出：2

应用场景：

任务调度和处理。
宽度优先搜索（BFS）算法。

5. 双端队列 (Deque)

双端队列支持在两端进行插入和删除操作。Java中可以使用 Deque 接口及其实现类，如 ArrayDeque 和 LinkedList。

使用ArrayDeque实现双端队列：

Deque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();
deque.addFirst(1);
deque.addLast(2);
System.out.println(deque.removeFirst()); // 输出：1
System.out.println(deque.removeLast()); // 输出：2

应用场景：

双向队列，如浏览器的前进和后退功能。
实现复杂数据结构，如最大/最小队列。

6. 集合 (Set)

集合是一种不允许重复元素的集合。Java中常见的实现有 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。

使用HashSet：

Set<Integer> set = new HashSet<>();
set.add(1);
set.add(2);
set.add(1); // 不会添加重复元素
System.out.println(set); // 输出：[1, 2]

应用场景：

去重操作，例如从列表中删除重复元素。
集合运算，如求交集、并集和差集。

7. 映射 (Map)

映射是一种键值对的集合，每个键最多对应一个值。Java中常见的实现有 HashMap、LinkedHashMap 和 TreeMap。

使用HashMap：

Map<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("one", 1);
map.put("two", 2);
System.out.println(map.get("one")); // 输出：1
System.out.println(map.containsKey("three")); // 输出：false

应用场景：

快速查找和更新键值对。
缓存实现，如LRU缓存（更多请参考：LRU（Least Recently Used）算法原理）。

更多请参考：深入解析Java HashMap的高性能扩容机制与树化优化

8. 堆 (Heap)

堆是一种特殊的完全二叉树，通常用于实现优先队列。Java中可以使用 PriorityQueue 类。

使用PriorityQueue：

PriorityQueue<Integer> heap = new PriorityQueue<>();
heap.offer(3);
heap.offer(1);
heap.offer(2);
System.out.println(heap.poll()); // 输出：1
System.out.println(heap.peek()); // 输出：2

应用场景：

优先级调度，例如任务调度和路径查找。
求中位数和Top K问题。

9. 树 (Tree)

树是一种分层数据结构，由节点和边组成。二叉树是最常见的树结构，Java中常用 TreeSet 和 TreeMap。

定义二叉树节点类：

class TreeNode {int val;TreeNode left;TreeNode right;TreeNode(int x) { val = x; }
}

应用场景：

分层数据表示，例如文件系统。
搜索和排序操作，如二叉搜索树（BST）。

10. 图 (Graph)

图是一种非线性数据结构，由顶点和边组成。可以表示各种关系，如社交网络和交通网络。

定义图的邻接表表示：

class Graph {private Map<Integer, List<Integer>> adjList = new HashMap<>();public void addEdge(int v, int w) {adjList.computeIfAbsent(v, k -> new LinkedList<>()).add(w);adjList.computeIfAbsent(w, k -> new LinkedList<>()).add(v);}
}

应用场景：

路径查找算法，如Dijkstra算法。
关系表示和分析，如社交网络分析。

11. 哈希表 (Hash Table)

哈希表使用哈希函数将键映射到值，支持快速插入、删除和查找操作。Java中 HashMap 是常见的实现。

使用HashMap：

Map<String, Integer> hashTable = new HashMap<>();
hashTable.put("apple", 1);
hashTable.put("banana", 2);
System.out.println(hashTable.get("apple")); // 输出：1
System.out.println(hashTable.containsKey("banana")); // 输出：true

应用场景：

高效的查找和更新操作。
数据去重和索引。

12. 列表 (List)

列表是一种有序的集合，允许重复元素。Java中常见的实现有 ArrayList 和 LinkedList。

使用ArrayList：

ArrayList 是基于动态数组实现的，支持随机访问，插入和删除操作在最坏情况下是O(n)，但在末尾插入操作是O(1)。

List<Integer> arrayList = new ArrayList<>();
arrayList.add(1);
arrayList.add(2);
arrayList.add(3);
System.out.println(arrayList.get(0)); // 输出：1
System.out.println(arrayList.get(1)); // 输出：2
System.out.println(arrayList.get(2)); // 输出：3// 遍历 ArrayList
for (int num : arrayList) {System.out.println(num);
}

使用LinkedList：

LinkedList 是基于双向链表实现的，适合频繁的插入和删除操作，但随机访问性能较差。

List<Integer> linkedList = new LinkedList<>();
linkedList.add(1);
linkedList.add(2);
linkedList.add(3);
System.out.println(linkedList.get(0)); // 输出：1
System.out.println(linkedList.get(1)); // 输出：2
System.out.println(linkedList.get(2)); // 输出：3// 遍历 LinkedList
for (int num : linkedList) {System.out.println(num);
}