Java面试必考点--第05讲：数据结构与算法

本课时的主题为数据结构与算法。行业里流行一种说法：程序 = 数据结构 + 算法。虽然有些夸张，但足以说明数据结构与算法的重要性。本课时重点讲解四个知识点：

从搜索树到 B+ 树，讲解与树有关的数据结构；
字符串匹配相关的题目；
算法面试经常考察的 TopK 问题；
算法题的几种常用解题方法。

数据结构知识点

首先看数据结构的知识点都有哪些，如下图所示。

队列和栈是经常使用的数据结构，需要了解它们的特点。队列是先进先出，栈是后进先出。
表，包括很多种，有占用连续空间的数组、用指针链接的单向和双向链表，首尾相接的循环链表、以及散列表，也叫哈希表。
图，在特定领域使用的比较多，例如路由算法中会经常使用到，图分为有向图、无向图及带权图，这部分需要掌握图的深度遍历和广度遍历算法，了解最短路径算法。
树的内容，树一般用作查找与排序的辅助结构，剩下两个部分都和树有关，一个是二叉树，一个是多叉树。
1. 多叉树包括 B 树族，有 B 树、B+ 树、B* 树，比较适合用来做文件检索；另外一个是字典树，适合进行字符串的多模匹配。
2. 二叉树包括平衡二叉树、红黑树、哈夫曼树，以及堆，适合用于进行数据查找和排序。这部分需要了解二叉树的构建、插入、删除操作的实现，需要掌握二叉树的前序、中序、后序遍历。

算法知识点

来看算法部分的知识点汇总，如下图所示。

算法题的常用解题方法。
复杂度是衡量算法好坏的标准之一，我们需要掌握计算算法时间复杂度和空间复杂度的方法。计算时间复杂度的方法一般是找到执行次数最多的语句，然后计算语句执行次数的数量级，最后用大写 O 来表示结果。
常用的字符串匹配算法，了解不同算法的匹配思路。
排序也是经常考察的知识点，排序算法分为插入、交换、选择、归并、基数五类，其中快速排序和堆排序考察的频率最高，要重点掌握，需要能够手写算法实现。
常用的查找算法，包括二分查找、二叉排序树、B 树、Hash、BloomFilter 等，需要了解它们的适用场景，例如二分查找适合小数量集内存查找，B 树适合文件索引，Hash 常数级的时间复杂度更适合对查找效率要求较高的场合，BloomFilter 适合对大数据集进行数据存在性过滤。

详解二叉搜索树

二叉搜索树

如下图所示，二叉搜索树满足这样的条件，每个节点包含一个值，每个节点至多有两个子树。每个节点左子树节点的值都小于自身的值，每个节点右子树节点的值都大于自身的值。

二叉树的查询时间复杂度是 log(N)，但是随着不断的插入、删除节点，二叉树的树高可能会不断变大，当一个二叉搜索树所有节点都只有左子树或者都只有右子树时，其查找性能就退化成线性的了。

平衡二叉树

平衡二叉树可以解决上面这个问题，平衡二叉树保证每个节点左右子树的高度差的绝对值不超过 1，例如 AVL 树。AVL 树是严格的平衡二叉树，插入或删除数据时可能经常需要旋转来保持平衡，比较适合插入、删除比较少的场景。

红黑树

红黑树是一种更加实用的非严格的平衡二叉树。红黑树更关注局部平衡而非整体平衡，确保没有一条路径会比其他路径长出 2 倍，所以是接近平衡的，但减少了许多不必要的旋转操作，更加实用。前面提到过，Java 8 的 HashMap 中就应用了红黑树来解决散列冲突时的查找问题。TreeMap 也是通过红黑树来保证有序性的。

红黑树除了拥有二叉搜索树的特点外，还有以下规则，如下图所示。

每个节点不是红色就是黑色。
根节点是黑色。
每个叶子节点都是黑色的空节点，如图中的黑色三角。
红色节点的两个子节点都是黑色的。
任意节点到其叶节点的每条路径上，包含相同数量的黑色节点。

详解 B 树

B 树

B 树是一种多叉树，也叫多路搜索树。B 树中每个节点可以存储多个元素，非常适合用在文件索引上，可以有效减少磁盘 IO 次数。B 树中所有结点的最大子节点数称为 B 树的阶，如下图所示是一棵 3 阶 B 树，也叫 2-3 树。

一个 m 阶 B 树有如下特点：

非叶节点最多有 m 棵子树；
根节点最少有两个子树，非根、非叶节点最少有 m/2 棵子树；
非叶子结点中保存的关键字个数，等于该节点子树个数−1，就是说一个节点如果有 3棵子树，那么其中必定包含 2 个关键字；
非叶子节点中的关键字大小有序，如上图中左边的节点中 37、51 两个元素就是有序的；
节点中每个关键字的左子树中的关键字都小于该关键字，右子树中的关键字都大于该关键字。如上图中关键字 51 的左子树有 42、49，都小于 51，右子树的节点有 59，大于51；
所有叶节点都在同一层。

B 树在查找时，从根结点开始，对结点内的有序的关键字序列进行二分查找，如果找到就结束，没有找到就进入查询关键字所属范围的子树进行查找，直到叶节点。

总结一下：

B 树的关键字分布在整颗树中，一个关键字只出现在一个节点中；
搜索可能在非叶节点停止；
B 树一般应用在文件系统。

B+ 树

下图是 B 树的一个变种，叫作 B+ 树。

B+ 树的定义与 B 树基本相同，除了下面这几个特点。

节点中的关键字与子树数目相同，比如节点中有 3 个关键字，那么就有 3 棵子树；
关键字对应的子树中的节点都大于或等于关键字，子树中包括关键字自身；
所有关键字都出现在叶子节点中；
所有叶子节点都有指向下一个叶子节点的指针。

与 B 树不同，B+ 树在搜索时不会在非叶子节点命中，一定会查询到叶子节点；另外一个，叶子节点相当于数据存储层，保存关键字对应的数据，而非叶子节点只保存关键字和指向叶节点的指针，不保存关键字对应的数据，所以同样数量关键字的非叶节点，B+ 树比 B 树要小很多。

B+ 树更适合索引系统，MySQL 数据库的索引就提供了 B+ 树实现。原因有三个：

由于叶节点之间有指针相连，B+ 树更适合范围检索；
由于非页节点只保存关键字和指针，同样大小非叶节点，B+ 树可以容纳更多的关键字，可以降低树高，查询时磁盘读写代价更低；
B+ 树的查询效率比较稳定。任何关键字的查找必须走一条从根结点到叶子结点的路，所有关键字查询的路径长度相同，效率相当。

最后可以简单了解，还有一种 B* 树的变种，在 B+ 树的非叶节点上，也增加了指向同一层下一个非叶节点的指针。

详解字符串匹配

字符串匹配问题

在面试时，字符串相关的问题经常作为算法考察题，下面来看字符串匹配的问题。先来了解一道常考的面试题：“判断给定字符串中的括号是否匹配”。

一般面试题目的描述都比较简单，在解答前，可以跟面试官进一步沟通一下题目要求和细节。以这道题为例，可以跟面试官确认括号的范围，是不是只考虑大中小括号就可以，包不包括尖括号；对函数的入参和返回值有没有什么样的要求；需不需要考虑针对大文件的操作等。

我们假定细化后本题的要求为：只考虑大中小括号；不考虑针对大文件的操作，以字符串作为入参，返回值为布尔类型；未出现括号也算作匹配的情况。那么，解题思路如下。

字符匹配问题可以考虑使用栈的特性来处理。
遇到左括号时入栈，遇到右括号时出栈对比，看是不是成对的括号。
当匹配完成时，如果栈内为空说明匹配，否则说明左括号多于右括号。

字符串代码

来看实际的实现代码，如下图所示。

按照上面的思路，需要对字符串进行遍历，所以首先要能确定栈操作的触发条件，就是定义好括号对，方便入栈和出栈匹配。这里要注意，编码实现时一定要注意编码风格与规范，例如变量命名必须要有明确意义，不要简单使用 a、b 这种没有明确意义的变量名。

我们首先定义了 brackets 的 map，key 是所有右括号，value 是对应的左括号，这样定义方便出栈时对比括号是否是成对。

再看一下匹配函数的逻辑。这里也要注意，作为工具类函数，要做好健壮性防御，首先要对输入参数进行验空。

然后我们定义一个保存字符类型的栈，开始对输入的字符串进行遍历。

如果当前字符是 brackets 中的值，也就是左括号，则入栈。这里要注意，map 的值查询方法是 O(N) 的，因为本题中括号种类很少，才使用这种方式让代码更简洁一些。如果当前字符不是左括号，在使用 containskey 来判断是不是右括号。如果是右括号，需要检验是否匹配，如果栈为空表示右括号多于左括号，如果栈不空，但出栈的左括号不匹配，这两种情况都说明字符串中的括号是不匹配的。

当遍历完成时，如果栈中没有多余的左括号，则匹配。

最后强调一下：编码题除了编程思路，一定要注意编程风格和细节点的处理。

字符串解题思路

接下来，总结一下字符串匹配类问题的解题技巧。

首先要认真审题，避免答偏。可以先确定是单模式匹配问题还是多模式匹配问题，命中条件是否有多个。
然后确定对算法时间复杂度或者内存占用是否有额外要求。
最后要明确期望的返回值是什么，比如存在有多个命中结果时，是返回第一个命中的，还是全部返回。

关于解题思路。

如果是单模式匹配问题，可以考虑使用 BM 或者 KMP 算法。
如果是多模匹配，可以考虑使用 Tire 树来解决。
在实现匹配算法时，可以考虑用前缀或者后缀匹配的方式来进行。
最后可以考虑是否能够通过栈、二叉树或者多叉树等数据结构来辅助解决。

建议了解一下常见的字符串单模、多模匹配算法的处理思路。

详解 TopK

TopK 问题

TopK 问题是在实际业务中经常出现的典型问题，例如微博的热门排行就属于 TopK 问题。

TopK 一般是要求在 N 个数的集合中找到最小或者最大的 K 个值，通常 N 都非常得大。TopK 可以通过排序的方式解决，但是时间复杂度较高，一般是 O(nk)，这里我们来看看更加高效的方法。

如下图所示，首先取前 K 个元素建立一个大根堆，然后对剩下的 N-K 个元素进行遍历，如果小于堆顶的元素，则替换掉堆顶元素，然后调整堆。当全部遍历完成时，堆中的 K 个元素就是最小的 K 个值。

这个算法的时间复杂度是 N*logK。算法的优点是不用在内存中读入全部的元素，能够适用于非常大的数据集。

TopK 变种问题

TopK 变种的问题，就是从 N 个有序队列中，找到最小或者最大的 K 个值。这个问题的不同点在于，是对多个数据集进行排序。由于初始的数据集是有序的，因此不需要遍历完 N 个队列中所有的元素。因此，解题思路是如何减少要遍历的元素。

解题思路如下图所示。

第一步先用 N 个队列的队头元素，也就是每个队列的最小元素，组成一个有 K 个元素的小根堆。方式同 TopK 中的方法。
第二步获取堆顶值，也就是所有队列中最小的一个元素。
第三步用这个堆顶元素所在队列的下一个值放入堆顶，然后调整堆。
最后重复这个步骤直到获取够 K 个数。

这里还可以有个小优化就是第三步往堆顶放入新值时，跟堆的最大值进行一下比较，如果已经大于堆中最大值，就可以提前终止循环了。这个算法的时间复杂度是 (N+K-1)*logK，注意这里与队列的长度无关。

详解常用算法

算法的知识点比较多，提高算法解题能力需要适当刷题，但不能单纯依靠刷题来解决问题。需要掌握几种常用解题思路与方法，才能以不变应万变。这里讲一下：分治、动态规划、贪心、回溯和分支界定这五种常用的算法题解题方法，来看看它们分别适用于什么场景，如何应用。

分治法

分治法的思想是将一个难以直接解决的复杂问题或者大问题，分割成一些规模较小的相同问题，分而治之。比如快速排序、归并排序等都是应用了分治法。

适合使用分治法的场景需要满足三点要求：

可以分解为子问题；
子问题的解可以合并为原问题的解；
子问题之间没有关联。

使用分治法解决问题的一般步骤如下图表格所示。

第一步，要找到最小子问题的求解方法；
第二步，要找到合并子问题解的方法；
第三步，要找到递归终止条件。

动态规划法

动态规划法，与分治法类似，也是将问题分解为多个子问题。与分治法不同的是，子问题的解之间是有关联的。前一子问题的解，为后一子问题的求解提供了有用的信息。动态规划法依次解决各子问题，在求解每一个子问题时，列出所有局部解，通过决策保留那些有可能达到全局最优的局部解。最后一个子问题的解就是初始问题的解。

使用动态规划的场景需要也满足三点条件：

子问题的求解必须是按顺序进行的；
相邻的子问题之间有关联关系；
最后一个子问题的解就是初始问题的解。

使用动态规划解决问题时，如上图表格第二行。

第一步，先要分析最优解的性质；
第二步，递归的定义最优解；
第三步，记录不同阶段的最优值；
第四步，根据阶段最优解选择全局最优解

贪心算法

第三个贪心算法，因为它考虑的是局部的最优解，所以贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解。贪心算法的关键是贪心策略的选择。贪心策略必须具备无后效性，就是说某个状态以后的过程不会影响以前的状态，只与当前状态有关。

贪心算法使用的场景必须满足两点：

局部最优解能产生全局最优解；
就是刚才说的必须具备无后效性。

如下图所示，使用贪心算法解题的一般步骤为：

第一步，先分解为子问题；
第二步、按贪心策略计算每个子问题的局部最优解；
第三步，合并局部最优解。

回溯算法

回溯算法实际上是一种深度优先的搜索算法，按选优的条件向前搜索，当探索到某一步时，发现原先选择并不优或达不到目标，就退回上一步重新选择，这种走不通就退回再走的方法就是回溯法。

回溯法适用于能够深度优先搜索，并且需要获取解空间的所有解的场合，例如迷宫问题等。

如上图所示，回溯法一般的解题步骤为：

第一步先针对所给问题，确定问题的解空间；
第二步、确定结点的扩展搜索规则；
第三步，以深度优先方式搜索解空间，并在搜索过程中用剪枝函数避免无效搜索。

分支界定法

最后是分支界定法，与回溯法的求解目标不同。回溯法的求解目标是找出满足约束条件的所有解，而分支界定法的求解目标则是找出满足约束条件的一个解。

分支界定法适用于广度优先搜索，并且获取解空间的任意解就可以的场合，例如求解整数规划问题。

如上图所示，分支界定法一般的解题步骤：

第一步先确定解的特征；
第二步在确定子节点搜索策略，例如是先入先出，还是先入后出；
第三步通过广度优先遍历寻找解。

考察点和加分项

考察点

以上是针对数据结构与算法内容划的重点。接下来，从面试官角度出发，总结相关的面试考察点：

了解基本数据结构及特点，例如数据结构中有哪些二叉树，这些树有哪些特点；
要熟练掌握表、栈、队列、树，深刻理解不同类型实现的使用场景，例如红黑树适合用来做搜索，B+ 树适合用来做索引；
要了解常用的搜索、排序算法，及复杂度和稳定性。特别是快速排序和堆排序的实现，要熟练掌握；
要了解常用的字符串处理算法，和处理的思路，例如BM算法使用后缀匹配进行字符串匹配；
要能够分析算法实现的复杂度，特别是时间复杂度，例如TopK问题的时间复杂度计算；
要了解五种常用的解题方法，解决问题的思路和解决哪类问题，以及解题的步骤。

加分项

要想在算法面试的相关题目获得面试官的加分，牢记下面几点：

能够将数据结构与实际使用场景结合，例如介绍红黑树时结合 TreeMap 的实现；介绍 B+ 树时结合 MySQL 中的索引实现等等；
能知道不同算法在业务场景中有哪些应用，例如 TopK 算法在热门排序中的应用；
面对模糊的题目能主动沟通确认条件和边界，例如前面介绍的括号匹配问题时列举的那些细节点，都可以跟面试官再次确认；
在书写算法代码前，先讲一下解题思路，不要一上来埋头就写。一般解题思路存在问题时，面试官都会适当进行引导；
能够发现解答中的一些问题，给出改进的思路。比如面试时由于时间关系，大家可能都会选择比较保守的解题思路，不一定就是最优解，这时可以在解答后，指出当前算法存在的一些问题，以及改进的思路。比如可以考虑使用多线程的方式来提高求解性能。

真题汇总

最后来看下常见的面试真题，第一部分总结如下。

第 1、2 题都是基础算法，必须要牢牢掌握，一些题目要记住递归与非递归的实现，例如树的遍历、快速排序等；
类似第 5 题这样的对使用内存进行限制的题目，要考虑使用分治思想进行分解处理；
第 6 题数组去重，可以有排序和 Hash 两种思路。

第二部分真题总结如下。

第 9 题成语接龙，可以考虑使用深度优先搜索解决；
第 10 题寻找两节点公共祖先，可以考虑通过递归与非递归两种方式实现。

本课时完成了基础知识的学习模块，下一课时会开始讲解应用知识模块，下一课时的主题常用工具集。