Java八股文（数据结构）

数据结构

1. 请解释以下数据结构的概念：链表、栈、队列和树。

链表是一种线性数据结构，由节点组成，每个节点包含了指向下一个节点的指针；
栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，只能在一端进行插入和删除操作；
队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，一端进行插入操作，在另一端进行删除操作；
树是一种非线性数据结构，由节点和边组成，其中父节点可以有多个子节点。

2. 请解释下面时间复杂度符号的含义：O(1)、O(log n)、O(n)和O(n^2)。

O(1)表示算法的执行时间不随输入规模变化；
O(log n)表示算法的执行时间随输入规模的增加而增加，但增加速度较慢；
O(n)表示算法的执行时间与输入规模成正比；
O(n^2)表示算法的执行时间与输入规模的平方成正比。

3. 请解释什么是二分查找，并提供一个二分查找的实现。

二分查找是一种在有序数组中查找元素的算法，每次都将区间缩小为原来的一半，直到找到目标元素或无法再缩小。
以下是一个二分查找的实现（Java）：

public int binarySearch(int[] arr, int target) {int left = 0;int right = arr.length - 1;while (left <= right) {int mid = left + (right - left) / 2;if (arr[mid] == target) {return mid;} else if (arr[mid] < target) {left = mid + 1;} else {right = mid - 1;}}return -1;
}

4. 请解释什么是哈希表，并提供一个哈希函数的示例。

哈希表是一种基于哈希函数的数据结构，用于存储和查找键值对。
哈希函数将键映射为一个固定大小的数组索引，使得在查找或插入时可以快速定位。
以下是一个哈希函数的示例（Java）：

public int hashFunction(String key) {int hash = 0;for (int i = 0; i < key.length(); i++) {hash = (hash + key.charAt(i) - 'a') % tableSize;}return hash;
}

在此示例中，假设我们将英文字母映射为整数，'a’对应0，'b’对应1，以此类推。

5. 请解释什么是二叉树，并提供一个二叉树的遍历实现（前序、中序和后序）。

二叉树是一种特殊的树结构，每个节点最多有两个子节点，称为左子节点和右子节点。
以下是二叉树的前序、中序和后序遍历的实现（Java）：

// 前序遍历（根-左-右）
public void preOrderTraversal(TreeNode root) {if (root == null) {return;}System.out.println(root.val);preOrderTraversal(root.left);preOrderTraversal(root.right);
}// 中序遍历（左-根-右）
public void inOrderTraversal(TreeNode root) {if (root == null) {return;}inOrderTraversal(root.left);System.out.println(root.val);inOrderTraversal(root.right);
}// 后序遍历（左-右-根）
public void postOrderTraversal(TreeNode root) {if (root == null) {return;}postOrderTraversal(root.left);postOrderTraversal(root.right);System.out.println(root.val);
}

这里的TreeNode是二叉树的节点类，包含一个值val和左右子节点的引用。

6. 请解释什么是图，并提供一种图的表示方法。

图是一种非线性数据结构，由节点（顶点）和边组成，表示顶点之间的关系。
常用的图的表示方法有邻接矩阵和邻接表。
邻接矩阵使用二维数组表示节点之间的连接关系，而邻接表则使用链表数组表示每个节点的邻居。

7. 请解释什么是堆，并提供一个堆的实现。

堆是一种完全二叉树，分为最大堆和最小堆。
最大堆中，每个父节点的值都大于或等于其子节点的值；
最小堆中，每个父节点的值都小于或等于其子节点的值。
以下是一个最大堆的实现（Java）：

class MaxHeap {private int[] heap;private int size;public MaxHeap(int capacity) {heap = new int[capacity];size = 0;}public void insert(int value) {if (size == heap.length) {throw new IllegalStateException("Heap is full");}heap[size] = value;siftUp(size);size++;}private void siftUp(int index) {while (index > 0 && heap[index] > heap[parentIndex(index)]) {swap(index, parentIndex(index));index = parentIndex(index);}}public int removeMax() {if (size == 0) {throw new IllegalStateException("Heap is empty");}int max = heap[0];heap[0] = heap[size - 1];size--;siftDown(0);return max;}private void siftDown(int index) {while (leftChildIndex(index) < size) {int maxIndex = leftChildIndex(index);if (rightChildIndex(index) < size && heap[rightChildIndex(index)] > heap[leftChildIndex(index)]) {maxIndex = rightChildIndex(index);}if (heap[index] >= heap[maxIndex]) {break;}swap(index, maxIndex);index = maxIndex;}}// Helper methods for calculating parent and child indicesprivate int parentIndex(int index) {return (index - 1) / 2;}private int leftChildIndex(int index) {return 2 * index + 1;}private int rightChildIndex(int index) {return 2 * index + 2;}private void swap(int index1, int index2) {int temp = heap[index1];heap[index1] = heap[index2];heap[index2] = temp;}
}

该堆类提供了插入和删除最大值的操作，并保持了堆的性质。

8. 请解释什么是哈夫曼树，并提供一个哈夫曼编码的实现。

哈夫曼树是一种用于数据编码的树结构，用于将频率较高的字符编码为较短的二进制码，以实现更高的压缩比。
哈夫曼编码的实现需要构建哈夫曼树，并通过DFS遍历树来生成每个字符的编码。
以下是一个哈夫曼编码的实现（Java）：

class HuffmanNode implements Comparable<HuffmanNode> {char value;int frequency;HuffmanNode left;HuffmanNode right;public HuffmanNode(char value, int frequency) {this.value = value;this.frequency = frequency;}@Overridepublic int compareTo(HuffmanNode other) {return this.frequency - other.frequency;}
}public String huffmanEncode(String text) {if (text.isEmpty()) {return "";}// Calculate character frequenciesMap<Character, Integer> frequencies = new HashMap<>();for (char c : text.toCharArray()) {frequencies.put(c, frequencies.getOrDefault(c, 0) + 1);}// Build Huffman treePriorityQueue<HuffmanNode> pq = new PriorityQueue<>();for (Map.Entry<Character, Integer> entry : frequencies.entrySet()) {pq.offer(new HuffmanNode(entry.getKey(), entry.getValue()));}while (pq.size() > 1) {HuffmanNode left = pq.poll();HuffmanNode right = pq.poll();HuffmanNode merged = new HuffmanNode('-', left.frequency + right.frequency);merged.left = left;merged.right = right;pq.offer(merged);}// Generate Huffman codesMap<Character, String> codes = new HashMap<>();generateCodes(pq.peek(), "", codes);// Encode the textStringBuilder encodedText = new StringBuilder();for (char c : text.toCharArray()) {encodedText.append(codes.get(c));}return encodedText.toString();
}private void generateCodes(HuffmanNode node, String code, Map<Character, String> codes) {if (node == null) {return;}if (node.left == null && node.right == null) {codes.put(node.value, code);}generateCodes(node.left, code + "0", codes);generateCodes(node.right, code + "1", codes);
}

该示例中，huffmanEncode方法接受一个字符串，并返回其哈夫曼编码后的结果。

9. 请解释深度优先搜索（DFS）和广度优先搜索（BFS）的区别。

DFS和BFS是两种图遍历的算法。
DFS以深度为优先，从起始节点开始，尽可能深入地访问其邻居节点，直到无法再深入为止，然后回溯到上一个节点。
BFS以广度为优先，从起始节点开始，依次访问同一层级的节点，再逐层向下一层级访问。
DFS适用于查找目标在树或图中的路径，而BFS适用于查找最短路径或查找目标在特定距离内的节点。

10. 请解释什么是红黑树，并说明其性质。

红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，具有以下性质：

● 每个节点是红色或黑色。
● 根节点是黑色。
● 每个叶子节点（NIL节点）是黑色。
● 如果一个节点是红色，则其子节点必须是黑色（不能有两个相邻的红色节点）。
● 从任一节点到其每个叶子的所有路径都包含相同数量的黑色节点。

11. 请解释什么是AVL树，并说明其性质。

AVL树是一种自平衡的二叉搜索树，具有以下性质：

● 对于每个节点，其左子树和右子树的高度差（平衡因子）最多为1。
● 任意节点的左子树和右子树都是AVL树。

12. 请解释什么是B树，并说明其特点。

B树是一种自平衡的多路搜索树，具有以下特点：

● 每个节点最多有M个子节点（M>=2）。
● 除根节点和叶子节点外，每个节点至少有M/2个子节点。
● 所有叶子节点都在同一层级上。

13. 请解释什么是缓存淘汰策略，并提供两个常见的缓存淘汰策略。

缓存淘汰策略用于在缓存容量不足时确定哪些项目应从缓存中淘汰。
常见的缓存淘汰策略有：

● 最近最少使用（Least Recently Used, LRU）：淘汰最近最少使用的项目，即最长时间未被访问的项目。
● 最不常用（Least Frequently Used, LFU）：淘汰使用频率最低的项目，即被访问次数最少的项目。

14. 请解释什么是拓扑排序，并提供一个拓扑排序的实现。

拓扑排序是一种对有向无环图进行排序的算法，使得所有边的方向均从前向后。
以下是一个拓扑排序的实现（Java）：

public List<Integer> topologicalSort(int numCourses, int[][] prerequisites) {List<Integer> sortedOrder = new ArrayList<>();if (numCourses <= 0) {return sortedOrder;}// 1. 构建图和入度数组Map<Integer, List<Integer>> graph = new HashMap<>();int[] inDegree = new int[numCourses];for (int i = 0; i < numCourses; i++) {graph.put(i, new ArrayList<>());}for (int[] prerequisite : prerequisites) {int parent = prerequisite[1];int child = prerequisite[0];graph.get(parent).add(child);inDegree[child]++;}// 2. 将入度为0的节点加入队列Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();for (int i = 0; i < numCourses; i++) {if (inDegree[i] == 0) {queue.offer(i);}}// 3. 逐个从队列取出节点，减少相关节点的入度并判断是否入队while (!queue.isEmpty()) {int node = queue.poll();sortedOrder.add(node);List<Integer> children = graph.get(node);for (int child : children) {inDegree[child]--;if (inDegree[child] == 0) {queue.offer(child);}}}// 4. 判断是否存在环if (sortedOrder.size() != numCourses) {return new ArrayList<>();}return sortedOrder;
}

该方法接受课程数量和先修关系的二维数组，并返回一个拓扑有序的课程列表。

15. 请解释什么是并查集，并提供一个并查集的实现。

并查集是一种用于解决集合合并和查询的数据结构，支持以下两种操作：

● 查找（Find）：确定元素所属的集合。
● 合并（Union）：将两个集合合并为一个集合。
以下是一个并查集的实现（Java）：

class UnionFind {private int[] parent;private int[] rank;public UnionFind(int size) {parent = new int[size];rank = new int[size];for (int i = 0; i < size; i++) {parent[i] = i;rank[i] = 0;}}public int find(int x) {if (parent[x] != x) {parent[x] = find(parent[x]);}return parent[x];}public void union(int x, int y) {int rootX = find(x);int rootY = find(y);if (rootX != rootY) {if (rank[rootX] < rank[rootY]) {parent[rootX] = rootY;} else if (rank[rootX] > rank[rootY]) {parent[rootY] = rootX;} else {parent[rootY] = rootX;rank[rootX]++;}}}
}

该并查集类提供了查找和合并操作，并使用路径压缩和按秩合并的优化策略。

16. 请解释什么是动态规划，并提供一个使用动态规划解决的问题示例。

动态规划（Dynamic Programming，简称DP）是一种解决多阶段决策最优化问题的方法。
它将问题划分为若干个子问题，并保存子问题的解来避免重复计算。
通过递推求解各个子问题，最终得到原问题的解。
一个典型的动态规划问题是求解最长公共子序列（Longest Common Subsequence，简称LCS）。
给定两个字符串s1和s2，求它们的最长公共子序列的长度。
示例：

public class LongestCommonSubsequence {public int longestCommonSubsequence(String text1, String text2) {int m = text1.length();int n = text2.length();int[][] dp = new int[m + 1][n + 1]; // dp[i][j]表示text1前i个字符和text2前j个字符的最长公共子序列长度for (int i = 1; i <= m; i++) {for (int j = 1; j <= n; j++) {if (text1.charAt(i - 1) == text2.charAt(j - 1)) {dp[i][j] = dp[i - 1][j - 1] + 1; // 当前字符相等，最长公共子序列长度加1} else {dp[i][j] = Math.max(dp[i - 1][j], dp[i][j - 1]); // 当前字符不相等，取前一步的最优解}}}return dp[m][n];}
}

在这个示例中，使用动态规划求解了最长公共子序列的长度。
通过定义一个二维数组dp，其中dp[i][j]表示text1前i个字符和text2前j个字符的最长公共子序列长度。
在遍历字符串text1和text2时，根据字符是否相等来更新dp数组的值。
最终返回dp[m][n]即为最长公共子序列的长度。
动态规划的思想可以帮助我们高效地解决很多复杂的问题，包括字符串匹配、最短路径、背包问题等。

17. 实现一个二叉树的前序遍历算法。

class TreeNode {int val;TreeNode left;TreeNode right;public TreeNode(int val) {this.val = val;}
}public class PreorderTraversal {public List<Integer> preorderTraversal(TreeNode root) {List<Integer> result = new ArrayList<>();if (root == null) {return result;}Stack<TreeNode> stack = new Stack<>();stack.push(root);while (!stack.isEmpty()) {TreeNode node = stack.pop();result.add(node.val);if (node.right != null) {stack.push(node.right);}if (node.left != null) {stack.push(node.left);}}return result;}
}

18. 实现一个队列，并实现基本的操作：入队、出队、获取队首元素。

class MyQueue {private Stack<Integer> inStack;private Stack<Integer> outStack;public MyQueue() {inStack = new Stack<>();outStack = new Stack<>();}public void push(int x) {inStack.push(x);}public int pop() {if (outStack.isEmpty()) {while (!inStack.isEmpty()) {outStack.push(inStack.pop());}}return outStack.pop();}public int peek() {if (outStack.isEmpty()) {while (!inStack.isEmpty()) {outStack.push(inStack.pop());}}return outStack.peek();}public boolean empty() {return inStack.isEmpty() && outStack.isEmpty();}
}

19. 实现一个栈，并实现基本的操作：入栈、出栈、获取栈顶元素、判断栈是否为空。

class MyStack {private Deque<Integer> stack;public MyStack() {stack = new LinkedList<>();}public void push(int x) {stack.push(x);}public int pop() {return stack.pop();}public int top() {return stack.peek();}public boolean empty() {return stack.isEmpty();}
}

20. 实现一个链表的反转。

class ListNode {int val;ListNode next;public ListNode(int val) {this.val = val;}
}public class ReverseLinkedList {public ListNode reverseList(ListNode head) {ListNode prev = null;ListNode curr = head;while (curr != null) {ListNode next = curr.next;curr.next = prev;prev = curr;curr = next;}return prev;}
}

21. 实现一个图的深度优先搜索（DFS）算法。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;class Graph {private int V;private List<List<Integer>> adj;public Graph(int V) {this.V = V;adj = new ArrayList<>(V);for (int i = 0; i < V; i++) {adj.add(new ArrayList<>());}}public void addEdge(int u, int v) {adj.get(u).add(v);}public void DFS(int v) {boolean[] visited = new boolean[V];DFSUtil(v, visited);}private void DFSUtil(int v, boolean[] visited) {visited[v] = true;System.out.print(v + " ");for (int i : adj.get(v)) {if (!visited[i]) {DFSUtil(i, visited);}}}
}

22. 实现一个图的广度优先搜索（BFS）算法。

import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.Queue;class Graph {private int V;private List<List<Integer>> adj;public Graph(int V) {this.V = V;adj = new ArrayList<>(V);for (int i = 0; i < V; i++) {adj.add(new ArrayList<>());}}public void addEdge(int u, int v) {adj.get(u).add(v);}public void BFS(int v) {boolean[] visited = new boolean[V];Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();visited[v] = true;queue.offer(v);while (!queue.isEmpty()) {int curr = queue.poll();System.out.print(curr + " ");for (int i : adj.get(curr)) {if (!visited[i]) {visited[i] = true;queue.offer(i);}}}}
}

23. 实现一个最小堆。

class MinHeap {private int[] heap;private int size;public MinHeap(int capacity) {heap = new int[capacity];size = 0;}public void insert(int key) {if (size == heap.length) {// 堆已满return;}size++;int i = size - 1;heap[i] = key;while (i > 0 && heap[parent(i)] > heap[i]) {// 交换节点值swap(i, parent(i));i = parent(i);}}public void delete(int key) {int index = -1;for (int i = 0; i < size; i++) {if (heap[i] == key) {index = i;break;}}if (index == -1) {// 不存在该元素return;}decreaseKey(index, Integer.MIN_VALUE);extractMin();}public int extractMin() {if (size == 0) {return Integer.MIN_VALUE;}if (size == 1) {size--;return heap[0];}int root = heap[0];heap[0] = heap[size - 1];size--;minHeapify(0);return root;}private void decreaseKey(int i, int newValue) {heap[i] = newValue;while (i != 0 && heap[parent(i)] > heap[i]) {swap(i, parent(i));i = parent(i);}}private void minHeapify(int i) {int smallest = i;int left = leftChild(i);int right = rightChild(i);if (left < size && heap[left] < heap[smallest]) {smallest = left;}if (right < size && heap[right] < heap[smallest]) {smallest = right;}if (smallest != i) {swap(i, smallest);minHeapify(smallest);}}private int parent(int i) {return (i - 1) / 2;}private int leftChild(int i) {return 2 * i + 1;}private int rightChild(int i) {return 2 * i + 2;}private void swap(int i, int j) {int temp = heap[i];heap[i] = heap[j];heap[j] = temp;}
}

24. 实现一个哈希表。

class MyHashMap {private final int SIZE = 10000;private ListNode[] table;class ListNode {int key;int value;ListNode next;public ListNode(int key, int value) {this.key = key;this.value = value;this.next = null;}}public MyHashMap() {table = new ListNode[SIZE];}public void put(int key, int value) {int index = getIndex(key);if (table[index] == null) {table[index] = new ListNode(-1, -1);}ListNode prev = findElement(table[index], key);if (prev.next == null) {prev.next = new ListNode(key, value);} else {prev.next.value = value;}}public int get(int key) {int index = getIndex(key);if (table[index] == null) {return -1;}ListNode prev = findElement(table[index], key);if (prev.next == null) {return -1;}return prev.next.value;}public void remove(int key) {int index = getIndex(key);if (table[index] == null) {return;}ListNode prev = findElement(table[index], key);if (prev.next == null) {return;}prev.next = prev.next.next;}private int getIndex(int key) {return Integer.hashCode(key) % SIZE;}private ListNode findElement(ListNode bucket, int key) {ListNode prev = null;ListNode curr = bucket;while (curr != null && curr.key != key) {prev = curr;curr = curr.next;}return prev;}
}

25. 实现一个动态数组。

class DynamicArray {private int[] array;private int size;private int capacity;public DynamicArray() {array = new int[10];size = 0;capacity = 10;}public void add(int value) {if (size == capacity) {expandCapacity();}array[size] = value;size++;}public int get(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IndexOutOfBoundsException();}return array[index];}public void set(int index, int value) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IndexOutOfBoundsException();}array[index] = value;}public int size() {return size;}public void remove(int index) {if (index < 0 || index >= size) {throw new IndexOutOfBoundsException();}for (int i = index; i < size - 1; i++) {array[i] = array[i + 1];}size--;}private void expandCapacity() {int newCapacity = capacity * 2;int[] newArray = new int[newCapacity];for (int i = 0; i < capacity; i++) {newArray[i] = array[i];}capacity = newCapacity;array = newArray;}
}

26. 实现一个有序数组的二分查找。

class BinarySearch {public int search(int[] nums, int target) {int left = 0;int right = nums.length - 1;while (left <= right) {int mid = left + (right - left) / 2;if (nums[mid] == target) {return mid;} else if (nums[mid] < target) {left = mid + 1;} else {right = mid - 1;}}return -1;}
}

27. 实现一个字符串的反转。

class StringReverse {public String reverse(String s) {char[] chars = s.toCharArray();int left = 0;int right = chars.length - 1;while (left < right) {char temp = chars[left];chars[left] = chars[right];chars[right] = temp;left++;right--;}return new String(chars);}
}

28. 实现一个队列的使用两个栈来模拟。

class MyQueue {private Stack<Integer> inStack;private Stack<Integer> outStack;public MyQueue() {inStack = new Stack<>();outStack = new Stack<>();}public void push(int x) {inStack.push(x);}public int pop() {if (outStack.isEmpty()) {while (!inStack.isEmpty()) {outStack.push(inStack.pop());}}return outStack.pop();}public int peek() {if (outStack.isEmpty()) {while (!inStack.isEmpty()) {outStack.push(inStack.pop());}}return outStack.peek();}public boolean empty() {return inStack.isEmpty() && outStack.isEmpty();}
}

29. 实现一个栈的使用两个队列来模拟。

class MyStack {private Queue<Integer> inQueue;private Queue<Integer> outQueue;public MyStack() {inQueue = new LinkedList<>();outQueue = new LinkedList<>();}public void push(int x) {inQueue.offer(x);while (!outQueue.isEmpty()) {inQueue.offer(outQueue.poll());}Queue<Integer> temp = inQueue;inQueue = outQueue;outQueue = temp;}public int pop() {return outQueue.poll();}public int top() {return outQueue.peek();}public boolean empty() {return outQueue.isEmpty();}
}

30. 实现一个判断链表中是否有环的算法。

class ListNode {int val;ListNode next;public ListNode(int val) {this.val = val;this.next = null;}
}class LinkedListCycle {public boolean hasCycle(ListNode head) {ListNode slow = head;ListNode fast = head;while (fast != null && fast.next != null) {slow = slow.next;fast = fast.next.next;if (slow == fast) {return true;}}return false;}
}

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