20162322 朱娅霖 作业005&006 栈，队列

20162322 2017-2018-1 《程序设计与数据结构》第五、六周学习总结

教材学习内容总结

集合的介绍（总述）

1. 集合是收集并组织其他对象的对象。主要分为线性集合（集合中的元素排成一行）和非线性集合（按不同于一行的方式来组织元素）。
2. 决定因素：加入集合的次序、元素之间的固有关系。

抽象数据类型

1. 抽象
2. 封装
3. 抽象数据类型（abstract data type, ADT）
4. 数据结构
   
   

我们研究数据结构就是研究其逻辑结构、物理结构及数据运算。

逻辑结构：本周我们学习的栈和队列均属于线性结构。

物理结构：我们主要研究顺序结构和链式结构，本周我们分别用数组和链表来实现栈、队列。

数据运算：在实现栈和队列时，具体实现了插入、删除和修改运算（查找和排序）

Java Collection API

1. Java Collection API（appilication programming interface）：使用不同方式实现几类集合的一组类。
2. 我们通过学习Java Collection API，学习集合的设计与实现，来深入理解所用的方法及数据结构，避免Java Collection API中的集合类过少，不能满足我们的需求的情况。

下面是具体内容：

第14章 栈

栈集合

栈（stack）是一个线性集合，后进先出（last in, first out, LIFO）,反序。

栈中的操作

操作	描述
push	将元素添加到栈顶
pop	删除栈顶的元素
peek	查看栈顶元素
isEmpty	判定栈是否为空
size	判定栈中元素的个数

异常

• 入栈时栈满
• 出栈时栈空
• 扫描完表达式时栈中的值多于一个

抛出异常的方式：

if ( ! theStack.isEmpty())
    element = theStack.pop();

或

try {
    element = theStack.pop();
}
catch (EmptyCollectionException exception) {
    System.out.println ("No elements avaliable.")
}

用数组实现栈

数组的容量是固定的，那么若出现“入栈时栈满”这种异常该怎么办呢？

教材中给出三种解决方式：

• 手动扩充容量
  
  - 若满则抛出异常。
  
  - 实现add操作时，让它返回一个状态指示符，来检查操作是否成功。
• 当需要时自动扩展基本数据结构的容量。

具体代码实现要点：

1. 变量count既表示数组中用来保存入栈元素的下标位置，也表示栈中当前元素的个数。
2. 泛型数组不能数理化，我们可以通过将Object数组强制类型转换为泛型数组的方式进行实例化： stack = （T[ ]）（Object [ DEFAULT_CAPACITY ]）;
3. push操作：（1）确保栈不满（2）注意count
4. pop操作：（1）确保栈不空（2）stack[count] = null （3）stack--

用链表实现栈

链式结构使用对象引用变量来建立对象之间联系的一种数据结构。

链表由对象组成，其中每个对象指向表中的下一个对象。

结点存储在链表中的对象。

1. 访问元素：创建一个新引用变量非常重要，然后先将该引用指向表的第一个元素。对于一个链表，访问表中元素的唯一方法是从第一个元素开始，从前往后沿表前进。
2. 插入结点：修改引用步骤的次序很重要。
3. 删除结点
4. 哨兵结点
5. 没有链的元素：我们必须将链表的细节与表中保存的元素分开。我们可以定义一个独立的结点类，将元素连在一起。结点类包含两个引用：一个用来指向链表中的下一个结点，一个用来指向保存在表中的元素。
6. 双向链表

具体代码实现要点：

1. 需要一个引用指向表的第一个结点、维护表中的个数。
2. 其余与用数组实现一样。

第15章 队列

队列是一个线性集合，在一端添加元素，在另一端删除元素，先进先出（first in , first out, FIFO），原序。

队列中的操作

操作	描述
enqueue	将元素添加到队尾
dequeue	从队头删除元素
first	检测队头的元素
isEmpty	判定队列是否为空
size	判定队列中元素的个数

用链表实现队列

队列与栈的区别在于，我们必须要操作链表的两端。因此，除了一个指向链表首元素的引用外，还需要跟踪另一个指向链表末元素的引用。再增加一个整形变量count来跟踪队列中的元素个数。

在课上，娄老师带领我们考虑了边界情况，即操作队头，操作队尾的情况，怎么能省去判断的这一环节呢？这一问题将在接下来的“教材学习中的问题和解决过程”环节具体讨论。

用数组实现队列

分析：

1. 将队列的首元素总是存储在数组的索引0处，由于队列处理会影响到集合的两端，因此从队列中删除元素的时候，该策略要求移动元素，这样操作的效率就很低
2. 如果将队列的末端总是存储在数组索引0处，当一个元素要入列时，是在末端进行操作的，这就意味着，每个enqueue操作都会使得队列中的所有元素在数组中移动一位，效率仍然很低。
3. 如果不固定在哪一端，当元素出列时，队列的前端在数组中前移，当元素入列时，队列的末端也在数组中前移，当队列的末端到达了数组的末端将出现难题，此时加大数组容量是不切合实际的，因为这样将不能有效的利用数组的空闲空间。

因此我们的解决方法是将数组看作是环形（环形数组）的，这样就可以除去在队列的数组实现，环形数组并不是一种新的结构，它只是一种把数组用来存储队列的方法，环形数组即数组的最后一个索引后面跟的是第一个索引。

实现方案：用两个整数值来表示队列的前端和末端，当添加和删除元素时，这些值会改变。注意，front的值表示的是队列首元素存储的位置，rear的值表示的是数组的下一个可用单元（不是最后一个元素的存储位置），而由于rear的值不在表示队列的元素数目，因此我们需要使用一个单独的整数值来跟踪元素计数。

教材学习中的问题和解决过程

• 问题：在课上，娄老师：“为了操作的统一，去掉判断位置的环节我们可以应用头结点来解决问题”，并且在黑板上画了一个上空下空的一个结点（指的是元素和地址均指向空？）我存在以下疑问：

1. 头结点究竟是什么？元素指向空，这个我理解，但是这个头结点不应该指向队列的第一个元素吗？为何指向也是空？
2. 引入头结点之后该如何操作，使得操作统一，使我们可以不通过判断语句来操作队列？

• 问题解决方案：

1. 针对头结点的概念问题我自然是百度的了：头结点是为了操作的统一与方便而设立的，放在第一个元素结点之前，其数据域一般无意义（当然有些情况下也可存放链表的长度、用做监视哨等等）。老师画得上空下空，应该是强调头结点的数据域可以不存储任何信息，而头结点的指针域存储指向第一个结点的指针（即第一个元素结点的存储位置）
2. 对带头结点的链表，在表任何结点之间插入结点或删除表中任何结点，所要做的都是修改前一结点的指针域，因为任何元素结点都有前驱结点。若链表没有头结点，则首元素结点没有前驱结点，在其前插入结点或删除该结点时操作会复杂些。

具体代码对比（ LinkedList1为“使用头结点实现链表”的情况，LinkedList2为“不使用头结点实现链表”的情况）：

（1）在构造方法中：

   public LinkedList1() {
        //生成一个头结点,让头指针和尾指针都指向它
        head = tail = new Entry<T>(null);
        size = 0;
    }

 public LinkedList2() {
        head = tail = null;
        size = 0;
    }

（2）在 isEmpty()方法中：

//  LinkedList1
public boolean isEmpty() {
        return head.next == null; //当头结点的next为空,表明整个链表为空
    }

// LinkedList2
 public boolean isEmpty() {
        return head == null; //头指针为空，表示整个链表为空
    }

（3）在 add方法中：

//  LinkedList1
//默认在原链表尾部添加新的结点
    public boolean add(T element) {
        Entry<T> newEntry = new Entry<T>(element);
        tail.next = newEntry;//原链表尾指针的next指向新的结点
        tail = newEntry;//尾指针向后移动一位，指向新的结点
        size++;
        return true;
    }

// LinkedList2
 public boolean add(T element) {
        Entry<T> newEntry = new Entry<T>(element);
        if (head == null) //如果头指针为空，直接将新结点赋值给头指针和尾指针
            head = tail = newEntry;
        else {
            tail.next = newEntry; //否则，尾指针的next指向新的结点，尾指针后移一位，指向新的结点
            tail = newEntry;
        }
        size++;
        return true;
    }

（4）在remove方法中：

//  LinkedList1
 public T remove(int index) {
        //得到索引index的前一个结点
        Entry<T> preEntry = previous(index);
        T oldVal = preEntry.next.element;
        //如果preEntry的next刚好是最后一个结点，修改tail为preEntry
        if (preEntry.next == tail)
            tail = preEntry;
        preEntry.next = preEntry.next.next;
        size--;
        return oldVal;
    }

// LinkedList2
public T remove(int index) {
        //获得索引值为index-1的结点
        Entry<T> preEntry = previous(index);
        T oldVal;
        if (preEntry == null) {//index=0 直接操作头指针
            oldVal = head.element;
            head = head.next;
        } else { //其他情况，用获得的前一个结点完成移除操作
            oldVal = preEntry.next.element;
            //如果preEntry的next刚好是最后一个结点，修改tail为preEntry
            if (tail == preEntry.next)
                tail = preEntry;
            preEntry.next = preEntry.next.next;
        }
        size--;
        return oldVal;
    }

综上

最后，再来理一下我们使用头结点的逻辑：对于一个链表，我们在操作的时候只能从前到后，因此，在没有头结点时，我们在插入链表元素时，需要考虑链首、链中和链尾三种情况，三种情况处理方式都不同。（检讨：以前没有考虑全面）有没有什么方式能够省去判断处理位置的情况呢？—>设置一个元素为空的头结点指向链表的第一个元素，这样链表的每一个元素结点都被一个结点指向，在插入链表元素时，链首、链中和链尾三种情况的处理方式就一样啦~

进一步思考：在删除时，链尾的情况需要单独讨论，有没有什么办法能够也省去这一步的判断呢？我想，可以仿照头结点，设置一个“尾结点”，让链尾的元素指向这个尾结点？但是又想这其实并不太方便，头结点之所以方便是因为链表第一个元素是确定的，增加一个头结点又不会影响什么；而添加“尾结点”并不像头结点那么方便，由于链表元素的个数是不确定的，因此，还得先找到这个最后的元素，就感觉略麻烦，因此还是保留判断语句好些。

代码调试中的问题和解决过程

• 问题：

ArrayStack.java ：第一行“public class ArrayStack implements Stack”下面有红线，没有出现红灯泡，将鼠标放在那行出现“Cannot access zylstack.Stack”的字样。但是我这里的Stack完全和书324的一样。这个ArrayStack中除了要求的pop,peek,isEmpty方法之外也是与书上一样的。

LinkedStack.java ：24行“top = top.getNext(); ”中的“top.getNext();”，37行“current = current.getNext();”中的“current.getNext();”和46行“temp.setNext(top); ”中的“temp.setNext”下面有红线，没有出现红灯泡，将鼠标放在那行出现“Cannot access zylstack.LinearNode”的字样。

ArrayStack.java 能编译成功，

编译 LinkedStack.java 之后，显示的问题是：

“Error:(9, 40) java: 找不到符号

符号: 类 Stack”

• 问题解决方案：

我在网上百度很久都没有解决我的问题。问了张旭升、张师瑜、王老师，他们也都不知道。最后去找了娄老师，老师说代码没有问题。然后在IDEA中重新建了一个项目，就没有再出现此类问题了。

代码托管

结对及互评

• 博客中值得学习的或问题：
  • 排版很漂亮，逻辑清晰，很有进步！
  • 只是罗列知识点，希望能有更多自己的思考
  • 图片较多
• 其他
  • 楠楠很棒！加油加油！

本周结对学习情况

• 20162323
• 结对学习内容
  
  - 一起讨论教材学习中的问题

其他（感悟、思考等，可选）

吾日三省吾身：

我究竟学会了什么？

我是否只是记忆住了知识，然后在考完试，就因时间的流逝而遗忘？

我是否理解那些难懂的概念，并能够对其进行迁移？

学习进度条

	代码行数（新增/累积）	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	200/200	2/2	20/20
第二周	300/500	2/4	18/38
第三周	500/1000	3/7	22/60
第四周	300/1300	2/9	30/90

• 计划学习时间:10小时

• 实际学习时间:12小时

• 改进情况：多独立动手编代码！

参考资料

• 《Java程序设计与数据结构教程（第二版）》

• 《Java程序设计与数据结构教程（第二版）》学习指导

• 头结点