• 5大数据结构

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    1. 栈结构

    例题1：字符串括号匹配

    import java.util.Stack;

public class BracketMatching {
    public static boolean isBracketMatching(String s) {
        Stack<Character> stack = new Stack<>();
        
        for (char c : s.toCharArray()) {
            if (c == '(' || c == '{' || c == '[') {
                stack.push(c);
            } else {
                if (stack.isEmpty()) {
                    return false;
                }
                
                char top = stack.pop();
                if ((c == ')' && top != '(') || (c == '}' && top != '{') || (c == ']' && top != '[')) {
                    return false;
                }
            }
        }
        
        return stack.isEmpty();
    }

    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "{[()]}"; // valid
        String s2 = "{[(])}"; // invalid
        String s3 = "()[]{}"; // valid
        
        System.out.println(isBracketMatching(s1)); // output: true
        System.out.println(isBracketMatching(s2)); // output: false
        System.out.println(isBracketMatching(s3)); // output: true
    }
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    例题2：最小栈

    import java.util.Stack;

public class MinStack {
    private Stack<Integer> stack;
    private Stack<Integer> minStack;

    public MinStack() {
        stack = new Stack<>();
        minStack = new Stack<>();
    }

    public void push(int x) {
        stack.push(x);
        if (minStack.isEmpty() || x <= minStack.peek()) {
            minStack.push(x);
        }
    }

    public void pop() {
        if (stack.pop().equals(minStack.peek())) {
            minStack.pop();
        }
    }

    public int top() {
        return stack.peek();
    }

    public int getMin() {
        return minStack.peek();
    }

    public static void main(String[] args) {
        MinStack minStack = new MinStack();
        minStack.push(3);
        minStack.push(5);
        minStack.push(2);
        
        System.out.println(minStack.getMin()); // output: 2
        minStack.pop();
        System.out.println(minStack.top()); // output: 5
        System.out.println(minStack.getMin()); // output: 3
    }
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    例题3：逆波兰表达式求值

    import java.util.Stack;

public class EvaluateReversePolishNotation {
    public static int evalRPN(String[] tokens) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        
        for (String token : tokens) {
            if (token.equals("+") || token.equals("-") || token.equals("*") || token.equals("/")) {
                int b = stack.pop();
                int a = stack.pop();
                
                switch (token) {
                    case "+":
                        stack.push(a + b);
                        break;
                    case "-":
                        stack.push(a - b);
                        break;
                    case "*":
                        stack.push(a * b);
                        break;
                    case "/":
                        stack.push(a / b);
                        break;
                }
            } else {
                stack.push(Integer.parseInt(token));
            }
        }
        
        return stack.pop();
    }

    public static void main(String[] args) {
        String[] tokens1 = {"2", "1", "+", "3", "*"}; // (2 + 1) * 3 = 9
        String[] tokens2 = {"4", "13", "5", "/", "+"}; // 4 + (13 / 5) = 6
        
        System.out.println(evalRPN(tokens1)); // output: 9
        System.out.println(evalRPN(tokens2)); // output: 6
    }
}

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    例题4：下一个更大元素

    import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Stack;

public class NextGreaterElement {
    public static int[] nextGreaterElement(int[] nums) {
        int[] result = new int[nums.length];
        Arrays.fill(result, -1);
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();

        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            while (!stack.isEmpty() && nums[i] > nums[stack.peek()]) {
                int index = stack.pop();
                result[index] = nums[i];
            }
            stack.push(i);
        }

        for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
            while (!stack.isEmpty() && nums[i] > nums[stack.peek()]) {
                int index = stack.pop();
                result[index] = nums[i];
            }
        }

        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] nums1 = {4, 2, 5, 7}; // output: [5, 5, 7, -1]
        int[] nums2 = {3, 1, 2, 4}; // output: [4, 2, 4, -1]

        int[] result1 = nextGreaterElement(nums1);
        int[] result2 = nextGreaterElement(nums2);

        System.out.println(Arrays.toString(result1));
        System.out.println(Arrays.toString(result2));
    }
}

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    2. 队列结构

    题目1: 实现一个队列，包括入队和出队操作，并判断队列是否为空。

    public class Queue {
    private int[] data; // 存储队列元素的数组
    private int front; // 队首指针
    private int rear; // 队尾指针

    public Queue(int size) {
        data = new int[size];
        front = 0;
        rear = -1;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return rear == -1;
    }

    public void enqueue(int value) {
        data[++rear] = value;
    }

    public int dequeue() {
        int value = data[front++];
        if (front > rear) {
            front = 0;
            rear = -1;
        }
        return value;
    }
}

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    题目2: 判断给定的字符串是否是回文字符串。

    import java.util.LinkedList;

public class Palindrome {
    public static boolean isPalindrome(String str) {
        LinkedList<Character> queue = new LinkedList<>();
        
        // 将字符串的每个字符入队
        for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
            queue.addLast(str.charAt(i));
        }
        
        // 依次出队和字符串的每个字符比较
        for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
            if (queue.removeFirst() != str.charAt(i)) {
                return false;
            }
        }
        
        return true;
    }
}

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    题目3: 使用队列实现栈。

    import java.util.LinkedList;

public class Stack {
    private LinkedList<Integer> queue;

    public Stack() {
        queue = new LinkedList<>();
    }

    public void push(int value) {
        queue.addLast(value);
    }

    public int pop() {
        if (queue.isEmpty()) {
            throw new IllegalStateException("Stack is empty.");
        }

        // 将队列中除最后一个元素外的所有元素出队并入队，实现栈的后进先出特性
        int size = queue.size();
        for (int i = 0; i < size - 1; i++) {
            int value = queue.removeFirst();
            queue.addLast(value);
        }

        return queue.removeFirst();
    }

    public int top() {
        if (queue.isEmpty()) {
            throw new IllegalStateException("Stack is empty.");
        }

        return queue.getLast();
    }

    public boolean isEmpty() {
        return queue.isEmpty();
    }
}

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    题目4: 使用队列实现猫狗队列，可以按顺序存储猫和狗，并可以按顺序弹出猫和狗。

    import java.util.LinkedList;

public class AnimalQueue {
    private LinkedList<Animal> catQueue;
    private LinkedList<Animal> dogQueue;
    private int order;

    public AnimalQueue() {
        catQueue = new LinkedList<>();
        dogQueue = new LinkedList<>();
        order = 0;
    }

    public void enqueue(Animal animal) {
        animal.setOrder(order++);

        if (animal instanceof Cat) {
            catQueue.addLast(animal);
        } else if (animal instanceof Dog) {
            dogQueue.addLast(animal);
        }
    }

    public Animal dequeueAny() {
        if (catQueue.isEmpty() && dogQueue.isEmpty()) {
            throw new IllegalStateException("No animals in the queue.");
        } else if (catQueue.isEmpty()) {
            return dogQueue.removeFirst();
        } else if (dogQueue.isEmpty()) {
            return catQueue.removeFirst();
        } else {
            if (catQueue.getFirst().getOrder() < dogQueue.getFirst().getOrder()) {
                return catQueue.removeFirst();
            } else {
                return dogQueue.removeFirst();
            }
        }
    }

    public Cat dequeueCat() {
        if (catQueue.isEmpty()) {
            throw new IllegalStateException("No cats in the queue.");
        }
        return (Cat) catQueue.removeFirst();
    }

    public Dog dequeueDog() {
        if (dogQueue.isEmpty()) {
            throw new IllegalStateException("No dogs in the queue.");
        }
        return (Dog) dogQueue.removeFirst();
    }
}

class Animal {
    private String name;
    private int order;

    public Animal(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getOrder() {
        return order;
    }

    public void setOrder(int order) {
        this.order = order;
    }
}

class Cat extends Animal {
    public Cat(String name) {
        super(name);
    }
}

class Dog extends Animal {
    public Dog(String name) {
        super(name);
    }
}

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    2. 堆结构

    例题一：使用堆结构实现一个最小堆

    import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MinHeap {
    private List<Integer> heap;

    public MinHeap() {
        heap = new ArrayList<>();
    }

    // 获取父节点索引
    private int getParentIndex(int childIndex) {
        return (childIndex - 1) / 2;
    }

    // 获取左孩子节点索引
    private int getLeftChildIndex(int parentIndex) {
        return 2 * parentIndex + 1;
    }

    // 获取右孩子节点索引
    private int getRightChildIndex(int parentIndex) {
        return 2 * parentIndex + 2;
    }

    // 上浮操作，将新插入的元素与父节点比较，如果小于父节点就交换位置，直到满足最小堆的性质
    private void siftUp(int index) {
        while (index > 0) {
            int parentIndex = getParentIndex(index);
            if (heap.get(index) < heap.get(parentIndex)) {
                swap(index, parentIndex);
                index = parentIndex;
            } else {
                break;
            }
        }
    }

    // 下沉操作，将顶部元素与左右孩子节点中较小的比较，如果大于孩子节点就交换位置，直到满足最小堆的性质
    private void siftDown(int index) {
        int leftChildIndex = getLeftChildIndex(index);
        int rightChildIndex = getRightChildIndex(index);
        int smallestIndex = index;

        if (leftChildIndex < heap.size() && heap.get(leftChildIndex) < heap.get(smallestIndex)) {
            smallestIndex = leftChildIndex;
        }
        if (rightChildIndex < heap.size() && heap.get(rightChildIndex) < heap.get(smallestIndex)) {
            smallestIndex = rightChildIndex;
        }

        if (smallestIndex != index) {
            swap(index, smallestIndex);
            siftDown(smallestIndex);
        }
    }

    // 交换两个元素的位置
    private void swap(int index1, int index2) {
        int temp = heap.get(index1);
        heap.set(index1, heap.get(index2));
        heap.set(index2, temp);
    }

    // 插入元素
    public void insert(int value) {
        heap.add(value);
        siftUp(heap.size() - 1);
    }

    // 删除并返回堆顶元素
    public int deleteMin() {
        if (heap.isEmpty()) {
            throw new IllegalStateException("Heap is empty");
        }
        int minValue = heap.get(0);
        heap.set(0, heap.get(heap.size() - 1));
        heap.remove(heap.size() - 1);
        siftDown(0);
        return minValue;
    }

    // 获取堆的大小
    public int size() {
        return heap.size();
    }

    // 判断堆是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return heap.isEmpty();
    }

    // 打印堆中的元素
    public void printHeap() {
        for (int i = 0; i < heap.size(); i++) {
            System.out.print(heap.get(i) + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

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    例题二：使用堆结构实现一个优先级队列

    import java.util.PriorityQueue;

public class PriorityQueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个优先级队列
        PriorityQueue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>();

        // 添加元素到优先级队列
        priorityQueue.offer(5);
        priorityQueue.offer(3);
        priorityQueue.offer(8);
        priorityQueue.offer(1);
        priorityQueue.offer(2);

        // 打印优先级队列中的元素
        System.out.println("Priority Queue: " + priorityQueue);

        // 获取并移除优先级队列中的最小元素
        int minElement = priorityQueue.poll();
        System.out.println("Minimum Element: " + minElement);

        // 打印优先级队列中的元素
        System.out.println("Priority Queue: " + priorityQueue);
    }
}

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    这是一个使用Java内置的PriorityQueue类实现的优先级队列示例。使用PriorityQueue的offer()方法可以添加元素到队列中，poll()方法可以获取并移除队列中的最小元素。

    4. 链表结构

    1. 反转链表

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

public class ReverseLinkedList {
    public ListNode reverseList(ListNode head) {
        ListNode prev = null; // 前驱节点
        ListNode curr = head; // 当前节点
        while (curr != null) {
            ListNode nextTemp = curr.next; // 保存当前节点的下一个节点
            curr.next = prev; // 当前节点的指针指向前驱节点
            prev = curr; // 前驱节点向后移动
            curr = nextTemp; // 当前节点向后移动
        }
        return prev; // 返回反转后的头节点
    }
}

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    2. 删除链表的倒数第N个节点

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

public class RemoveNthNodeFromEnd {
    public ListNode removeNthFromEnd(ListNode head, int n) {
        ListNode dummy = new ListNode(0); // 创建虚拟头节点
        dummy.next = head;
        ListNode first = dummy; // 快指针
        ListNode second = dummy; // 慢指针
        for (int i = 0; i <= n; i++) {
            first = first.next; // 快指针先向后移动n步
        }
        while (first != null) {
            first = first.next; // 快指针继续向后移动
            second = second.next; // 慢指针向后移动
        }
        second.next = second.next.next; // 删除倒数第N个节点
        return dummy.next; // 返回头节点
    }
}

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    3. 合并两个有序链表

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

public class MergeTwoSortedLists {
    public ListNode mergeTwoLists(ListNode l1, ListNode l2) {
        ListNode dummy = new ListNode(0); // 创建虚拟头节点
        ListNode curr = dummy; // 当前节点
        while (l1 != null && l2 != null) {
            if (l1.val < l2.val) {
                curr.next = l1; // 将l1节点接到当前节点后面
                l1 = l1.next; // l1节点向后移动
            } else {
                curr.next = l2; // 将l2节点接到当前节点后面
                l2 = l2.next; // l2节点向后移动
            }
            curr = curr.next; // 当前节点向后移动
        }
        if (l1 != null) {
            curr.next = l1; // 将剩余的l1节点接到当前节点后面
        }
        if (l2 != null) {
            curr.next = l2; // 将剩余的l2节点接到当前节点后面
        }
        return dummy.next; // 返回合并后的头节点
    }
}

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    4. 判断链表是否有环

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

public class LinkedListCycle {
    public boolean hasCycle(ListNode head) {
        if (head == null || head.next == null) {
            return false; // 链表为空或只有一个节点，不可能有环
        }
        ListNode slow = head; // 慢指针
        ListNode fast = head.next; // 快指针
        while (slow != fast) {
            if (fast == null || fast.next == null) {
                return false; // 快指针走到链表尾部，不存在环
            }
            slow = slow.next; // 慢指针向后移动一步
            fast = fast.next.next; // 快指针向后移动两步
        }
        return true; // 快慢指针相遇，存在环
    }
}

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    5. 返回链表的中间节点

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

public class MiddleOfLinkedList {
    public ListNode middleNode(ListNode head) {
        ListNode slow = head; // 慢指针
        ListNode fast = head; // 快指针
        while (fast != null && fast.next != null) {
            slow = slow.next; // 慢指针移动一步
            fast = fast.next.next; // 快指针移动两步
        }
        return slow; // 返回中间节点
    }
}

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    6. 删除链表中的重复元素

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

public class RemoveDuplicatesFromSortedList {
    public ListNode deleteDuplicates(ListNode head) {
        ListNode curr = head;
        while (curr != null && curr.next != null) {
            if (curr.val == curr.next.val) {
                curr.next = curr.next.next; // 删除重复节点
            } else {
                curr = curr.next; // 不重复，节点向后移动
            }
        }
        return head; // 返回头节点
    }
}

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    5. hash思想

    题目一：找出数组中重复的数字

    问题描述：给定一个整数数组，数组中有些数字是重复的，找出数组中任意一个重复的数字。

    解决思路：使用哈希思想，可以借助集合(Set)来模拟哈希表，遍历数组，将数字放入集合中，如果集合中已经存在该数字，则找到了重复的数字。

    import java.util.HashSet;

public class DuplicateNumbers {
    public static int findDuplicate(int[] nums) {
        // 创建一个集合用于存储已经遍历过的数字
        HashSet<Integer> set = new HashSet<>();
        
        // 遍历数组，将数字放入集合中
        for (int num : nums) {
            // 如果集合中已经存在该数字，返回该数字
            if (set.contains(num)) {
                return num;
            }
            
            // 将数字放入集合中
            set.add(num);
        }
        
        // 如果没有找到重复的数字，则返回-1
        return -1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {2, 3, 1, 0, 2, 5, 3};
        int duplicate = findDuplicate(nums);
        System.out.println("Duplicate Number: " + duplicate);
    }
}

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    题目二：找出数组中只出现一次的数字

    问题描述：给定一个整数数组，数组中有两个数字只出现了一次，其他数字都出现了两次，请找出这两个只出现一次的数字。

    解决思路：使用哈希思想，可以借助集合(Set)来模拟哈希表，遍历数组，将数字放入集合中，如果集合中已经存在该数字，则从集合中移除该数字，最后集合中剩余的两个数字就是只出现一次的数字。

    import java.util.HashSet;

public class SingleNumbers {
    public static int[] findSingleNumbers(int[] nums) {
        // 创建一个集合用于存储只出现一次的数字
        HashSet<Integer> set = new HashSet<>();
        
        // 遍历数组，将数字放入集合中或从集合中移除
        for (int num : nums) {
            // 如果集合中已经存在该数字，将其从集合中移除
            if (set.contains(num)) {
                set.remove(num);
            } else {
                // 否则将数字放入集合中
                set.add(num);
            }
        }
        
        // 将集合中的数字转化为数组并返回
        int[] result = new int[2];
        int index = 0;
        for (int num : set) {
            result[index] = num;
            index++;
        }
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {2, 3, 1, 0, 2, 5, 3};
        int[] singleNumbers = findSingleNumbers(nums);
        System.out.println("Single Numbers: " + singleNumbers[0] + ", " + singleNumbers[1]);
    }
}

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    题目三：找出字符串中第一个不重复的字符

    问题描述：给定一个字符串，找出字符串中第一个不重复的字符，并返回其索引。

    解决思路：使用哈希思想，可以借助数组来模拟哈希表，遍历字符串，统计每个字符出现的次数，然后再次遍历字符串，找到第一个出现次数为1的字符，返回其索引。

    public class FirstUniqueCharacter {
    public static int firstUniqChar(String s) {
        // 创建一个长度为26的数组，用于统计每个字符出现的次数
        int[] count = new int[26];
        
        // 第一次遍历字符串，统计每个字符出现的次数
        for (char c : s.toCharArray()) {
            count[c - 'a']++;
        }
        
        // 第二次遍历字符串，找到第一个出现次数为1的字符，返回其索引
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            if (count[s.charAt(i) - 'a'] == 1) {
                return i;
            }
        }
        
        // 如果字符串中没有不重复的字符，则返回-1
        return -1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        String s = "leetcode";
        int index = firstUniqChar(s);
        System.out.println("First Unique Character Index: " + index);
    }
}

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