數據結構學習之映射篇(Java)

映射(Map):
Map 是一種鍵-值對（key-value）集合，Map 集合中的每一個元素都包含一個鍵對象和一個值對象。其中，鍵對象不允許重複，而值對象可以重複，並且值對象還可以是 Map 類型的，就像數組中的元素還可以是數組一樣。
Map接口：
增刪改查

public interface Map<K,V> {
    //添加元素
    void add(K key,V value);
    //刪除元素
    V remove(K key);
    //是否包含某元素
    boolean contains(K key);
    //通過鍵獲取值
    V get(K key);
    //改key對應的value值
    void set(K key,V value);
    //獲取Map中元素的個數
    int getSize();
    //Map是否爲空
    boolean isEmpty();
}

基於鏈表實現的LinkedListMap:

public class LinkedListMap<K,V> implements Map<K,V> {
    private class Node {
        public K key;
        public V value;
        public Node next;

        public Node(K key,V value,Node next) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.next = next;
        }

        public Node(K key) {
            this.key = key;
            this.value = null;
            this.next = null;
        }

        public Node() {
            this.key = null;
            this.value = null;
            this.next = null;
        }
        @Override
        public String toString(){
            return key.toString()+":"+value.toString();
        }
    }
    private Node dummyHead;
    private int size;

    public LinkedListMap(){
        dummyHead = new Node();
        size = 0;
    }

    @Override
    public int getSize(){
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    //返回key所在的Node
    public Node getNode(K key){
        Node cur = dummyHead.next;
        while (cur != null){
            if (cur.key.equals(key)){
                return cur;
            }
            cur = cur.next;
        }
        return null;
    }
    @Override
    public boolean contains(K key){
        return getNode(key) != null;
    }
    @Override
    public V get(K key){
        Node node = getNode(key);
        return node == null ? null : node.value;
    }
    @Override
    public void add(K key,V value){
        Node node = getNode(key);
        if (node == null){
            dummyHead.next = new Node(key,value,dummyHead.next);
            size ++;
        }else {
            //映射中key是唯一的
            node.value = value;
        }
    }
    @Override
    public void set(K key,V value){
        Node node = getNode(key);
        if (node == null) {
            throw new IllegalArgumentException(key + "does't exist!");
        }
        node.value = value;
    }
    @Override
    public V remove(K key){
        Node prev = dummyHead;
        while (prev.next != null){
            if (prev.next.key.equals(key)){
                break;
            }
            prev = prev.next;
        }
        if (prev.next != null){
            Node delNode = prev.next;
            prev.next = delNode.next;
            delNode.next = null;
            return delNode.value;
        }
        return null;
    }
}

基於二分搜索樹實現的BSTMap:

public class BSTMap<K extends Comparable<K>,V> implements Map<K,V>{

    private class Node{
        public K key;
        public V value;
        public Node left,right;

        public Node(K key,V value){
            this.key = key;
            this.value = value;
            left = null;
            right = null;
        }

    }

    public Node root;
    public int size;

    public BSTMap(){
        root = null;
        size = 0;
    }

    @Override
    public int getSize(){
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    @Override
    public void add(K key,V value){

    }

    //向以node爲根的二分搜索樹中插入元素(key,value),遞歸算法
    //返回插入新節點後二分搜索樹的根
    private Node add(Node node,K key,V value){
        if(node == null){
            size ++;
            return new Node(key, value);
        }
        if (key.compareTo(node.key) < 0){
            node.left = add(node.left,key, value);
        }else if(key.compareTo(node.key) > 0){ //插入重複元素說明什麼也不做
            node.right = add(node.right,key, value);
        }else {
            node.value = value;
        }
        return node;
    }

    //返回以node爲根節點的二分搜索樹中，key所在的節點
    private Node getNode(Node node,K key){
        if (node == null){
            return null;
        }
        if (key.compareTo(node.key) == 0){
            return node;
        }else if (key.compareTo(node.key) < 0){
            return getNode(node.left,key);
        }else {   //key.compareTo(node.key) > 0
            return getNode(node.right,key);
        }
    }

   @Override
    public boolean contains(K key){
        return getNode(root,key) != null;
   }

   @Override
    public V get(K key){
        Node node = getNode(root,key);
        return node == null ? null : node.value;
   }

    @Override
    public void set(K key, V value) {
        Node node = getNode(root,key);
        if (node == null){
            throw new IllegalArgumentException(key + "dose't exist!");
        }
        node.value = value;
    }

    //返回以node爲根的二分搜索樹的最小值所在的節點,遞歸算法
    private Node minimum(Node node){
        if (node.left == null){
            return node;
        }
        return minimum(node.left);
    }
    //刪除以node爲根的二分搜索樹的最小節點
    //返回刪除節點後新的二分搜索樹的根
    private Node removeMin(Node node){
        if (node.left == null){
            Node rightNode = node.right;
            node.right = null;
            size --;
            return rightNode;
        }
        node.left = removeMin(node.left);
        return node;
    }

    @Override
    public V remove(K key){
        Node node = getNode(root,key);
        if (node != null){
            root = remove(root,key);
            return node.value;
        }
        return null;
    }

    //刪除掉以node爲根的二分搜索樹中值爲e節點，遞歸算法
    //返回刪除節點後新的二分搜索樹的根
    private Node remove(Node node,K key){
        if (node == null){
            return null;
        }
        if (key.compareTo(node.key) < 0){
            node.left = remove(node.left,key);
            return node;
        }else if (key.compareTo(node.key) > 0){
            node.right = remove(node.right,key);
            return node;
        }
        else { //key == node.key
            //待刪除節點左子樹爲空的情況
            if (node.left == null){
                Node rightNode = node.right;
                node.right = null;
                size --;
                return rightNode;
            }
            //待刪除節點右子樹爲空的情況
            if (node.right == null){
                Node leftNode = node.left;
                node.left = null;
                size --;
                return leftNode;
            }
            //待刪除節點均不爲空的情況
            //找到比待刪除節點大的最小節點,即待刪除節點右子樹的最小節點(後繼節點)。
            //或找到比待刪除節點小的最大節點，即待刪除節點左子樹的最大節點(前驅節點）
            //用這個節點頂替待刪除節點的位置
            Node successor = minimum(node.right);
            successor.right = removeMin(node.right);
            successor.left = node.left;
            node.left = null;
            node.right = null;
            return successor;
        }
    }
}

一般來說，BSTMap對數據操作時其性能是遠高於LinkedListMap的，因爲BSTMap增刪改查的方法時間複雜度是O(logn)的，而LinkedListMap是O(n)的。