数据结构-算法学习C++（入门）

03二进制和位运算
04 选择、冒泡、插入排序
05 对数器
06 二分搜索
07 时间复杂度和空间复杂度
08 算法和数据结构
09 单双链表
- 09.1单双链表及反转
- 09.2合并链表
- 09.2两数相加
- 09.2分隔链表
013队列、栈、环形队列
- 013.1队列
- 013.2栈
- 013.3循环队列
014栈-队列的相互转换
- 014.1用栈实现队列
- 014.2用队列实现栈
015最小栈
016双端队列
017二叉树实现
- 017.1递归实现
- - 1、递归序
  - 2、先序
  - 3、中序
  - 4、后序
- 017.2 非递归实现
- 1.先序、中序
- 2.后序

数据结构和算法-左神

03二进制和位运算

在这里插入图片描述

04 选择、冒泡、插入排序

// 交换数组中的两个元素
void swap(int arr[], int i, int j) {
    int tmp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = tmp;
}

void printarr(int arr[], int n) {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        cout << arr[i] << " ";
    }
    cout << endl;
}

// 选择排序
void selectionSort(int arr[], int n) {
    for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
        int minIndex = i;
        for (int j = i + 1; j < n; j++) {
            if (arr[j] < arr[minIndex]) {
                minIndex = j;
            }
        }
        swap(arr, i, minIndex);
    }
}

// 冒泡排序
void bubbleSort(int arr[], int n) {
    for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
        for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                swap(arr, j, j + 1);
            }
        }
    }
}

// 插入排序
void insertionSort(int arr[], int n) {
    if (arr == nullptr || n < 2) {
        return;
    }
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        for (int j = i - 1; j >= 0 && arr[j] > arr[j + 1]; j--) {
            swap(arr, j, j + 1);
            // printarr(arr, n); // 打印当前数组状态
        }
        
    }
}

05 对数器

对数器：实验器，对与两种针对同一种问题的算法进行验证，以判断缩写代码是否正确（提出一易一难进行对比）

// 生成随机数组
vector<int> randomArray(int n, int v) {
    vector<int> arr(n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = rand() % v + 1; // 生成 [1, v] 范围内的随机整数
    }
    return arr;
}

// 复制数组
vector<int> copyArray(const vector<int>& arr) {
    return arr; // 直接返回一个副本
}

// 比较两个数组是否相同
bool sameArray(const vector<int>& arr1, const vector<int>& arr2) {
    return arr1 == arr2; // 使用 vector 的比较运算符
}

// 主函数
int main() {
    // 随机数组最大长度
    int N = 10;
    // 随机数组每个值，在1~V之间等概率随机
    int V = 10;
    // 测试次数
    int testTimes = 5;

    srand(time(0)); // 初始化随机数种子
    cout << "测试开始" << endl;

    for (int i = 0; i < testTimes; i++) {
        // 随机得到一个长度，长度在[0~N-1]
        int n = rand() % N;
        // 得到随机数组
        vector<int> arr = randomArray(n, V);
        vector<int> arr1 = copyArray(arr);
        vector<int> arr2 = copyArray(arr);
        vector<int> arr3 = copyArray(arr);

        // 转换为普通数组
        int* arr1_ptr = arr1.data();
        int* arr2_ptr = arr2.data();
        int* arr3_ptr = arr3.data();

        // 排序
        selectionSort(arr1_ptr, n);
        bubbleSort(arr2_ptr, n);
        insertionSort(arr3_ptr, n);

        // 比较结果
        if (!sameArray(arr1, arr2) || !sameArray(arr1, arr3)) {
            cout << "出错了!" << endl;
            // 打印出错的数组
            cout << "原始数组: ";
            for (int num : arr) {
                cout << num << " ";
            }
            cout << endl;

            cout << "选择排序结果: ";
            for (int num : arr1) {
                cout << num << " ";
            }
            cout << endl;

            cout << "冒泡排序结果: ";
            for (int num : arr2) {
                cout << num << " ";
            }
            cout << endl;

            cout << "插入排序结果: ";
            for (int num : arr3) {
                cout << num << " ";
            }
            cout << endl;

            return 1; // 退出程序
        }
    }

    cout << "测试结束" << endl;
    return 0;
}

上述是对三种排序算法的检测，如果报错可通过调整数组长度和数据大小，选择容易的数组进行测验，以解决报错

06 二分搜索

1）在有序数组中确定num存在还是不存在
2）在有序数组中找>=num的最左位置
3）在有序数组中找<=num的最右位置
4）二分搜索不一定发生在有序数组上（比如寻找峰值问题）
如果数组长度为n，那么二分搜索搜索次数是log n次，以2为底

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

using namespace std;

// 生成随机数组
vector<int> randomArray(int n, int v) {
    vector<int> arr(n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = rand() % v + 1; // 生成 [1, v] 范围内的随机整数
    }
    return arr;
}

// 暴力解法：遍历数组查找数字
bool right(const vector<int>& sortedArr, int num) {
    for (int cur : sortedArr) {// 遍历数组
        if (cur == num) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}

// 二分查找：在有序数组(从小到大)中查找数字
bool exist(const vector<int>& arr, int num) {
    if (arr.empty()) {
        return false;
    }
    int l = 0, r = arr.size() - 1, m = 0;
    while (l <= r) {
        m = (l + r) / 2;
        //m=l+(r-l)/2; // 防止溢出
        if (arr[m] == num) {
            return true;
        } else if (arr[m] > num) {
            r = m - 1;
        } else {
            l = m + 1;
        }
    }
    return false;
}
int findleft(const vector<int>& arr, int num) {
    int l = 0, r = arr.size() - 1,m=0;
    int ans=-1;
    while (l <= r) {
        m = (l + r) / 2;
        if (arr[m] >= num) {
            ans=m; // 记录当前的左边界
            r = m - 1; // 继续向左查找
        } 
        else {
            l = m + 1;
        }
    }
    return ans; // 返回左边界
}

int findright(const vector<int>& arr, int num) {
    int l = 0, r = arr.size() - 1,m=0;
    int ans=-1;
    while (l <= r) {
        m = (l + r) / 2;
        if (arr[m] <= num) {
            ans=m; // 记录当前的右边界
            l = m + 1; // 继续向右查找
        } 
        else {
            r = m - 1;
        }
    }
    return ans; // 返回右边界
}

int findpeak(const vector<int>& arr) {
    int  n = arr.size() - 1;
    if(arr.size() == 0) {
        return -1; // 数组为空
    }
    if (arr[0] > arr[1]) {
        return 0; // 第一个元素是峰值
    }
    if (arr[n] > arr[n - 1]) {
        return n; // 最后一个元素是峰值
    }
    int l=1,r=n-1,m=0,ans=-1;
    while (l <= r) {
        m = (l + r) / 2;
        if (arr[m] < arr[m + 1]) {
            l = m + 1;
        } else if (arr[m] < arr[m - 1]) {
            r = m - 1;
        }else {
            ans = m; // 找到峰值
            break;
        }
    }
    return ans;
}

// 主函数
int main() {
    // 随机数组最大长度
    int N = 100;
    // 随机数组每个值，在1~V之间等概率随机
    int V = 1000;
    // 测试次数
    int testTime = 500000;

    srand(time(0)); // 初始化随机数种子
    cout << "测试开始" << endl;

    for (int i = 0; i < testTime; i++) {
        // 随机得到一个长度，长度在[0~N-1]
        int n = rand() % N;
        // 得到随机数组
        vector<int> arr = randomArray(n, V);
        // 排序
        sort(arr.begin(), arr.end());
        // 随机生成一个数字
        int num = rand() % V + 1;

        // 比较暴力解法和二分查找的结果
        if (right(arr, num) != exist(arr, num)) {
            cout << "出错了!" << endl;
            // 打印出错的数组和数字
            cout << "数组: ";
            for (int x : arr) {
                cout << x << " ";
            }
            cout << endl;
            cout << "查找数字: " << num << endl;
            return 1; // 退出程序
        }
    }

    cout << "测试结束" << endl;
    return 0;
}

07 时间复杂度和空间复杂度

复杂度解释

时间复杂度：常数操作（固定时间的操作、执行时间和数据量无关）的次数，只关注最高阶项；针对固定流程，计算最差情况，对于随机行为，选择平均或者期望的时间复杂度；仅根据代码结构无法判断时间复杂度，需要通过算法流程进行判断。

08 算法和数据结构

硬计算类算法、软计算类算法：
硬计算类算法：精确求解。但是某些问题使用硬计算类的算法，可能会让计算的复杂度较高（大厂算法和数据结构笔试、面试题、acm比赛或者和acm形式类似的比赛，考察的都是硬计算类算法）
软计算类算法：更注重逼近解决问题，而不是精确求解。计算时间可控（比如：模糊逻辑、神经网络、进化计算、概率理论、混沌理论、支持向量机、群体智能）

硬计算类算法是所有程序员岗位都会考、任何写代码的工作都会用到的。前端、后端、架构、算法所有岗位都要用到。
但是算法工程师除了掌握硬计算类的算法之外，还需要掌握软计算类的算法。

09 单双链表

09.1单双链表及反转

#include <iostream>
using namespace std;

// 单链表节点
class ListNode {
public:
    int val;
    ListNode* next;
    // 构造函数：初始化节点值，下一个节点为 nullptr
    ListNode(int val) : val(val), next(nullptr) {}// 构造函数初始化 val 和 next;或如下放在函数体里
    // ListNode(int val) {
    //     this->val = val; // 使用 this 指针访问成员变量
    //     this->next = nullptr;
    // }
    ListNode(int val, ListNode* next) : val(val), next(next) {}
};

// 双链表节点
class DoubleListNode {
public:
    int value;
    DoubleListNode* last;
    DoubleListNode* next;

    DoubleListNode(int v) : value(v), last(nullptr), next(nullptr) {}
};

// 反转单链表
static ListNode* reverseList(ListNode* head) {
        ListNode* pre = nullptr;
        ListNode* next = nullptr;
        while (head != nullptr) {
            next = head->next;
            head->next = pre;
            pre = head;
            head = next;
        }
        return pre;
    }

// 反转双链表
static DoubleListNode* reverseDoubleList(DoubleListNode* head) {
        DoubleListNode* pre = nullptr;
        DoubleListNode* next = nullptr;
        while (head != nullptr) {
            next = head->next;
            head->next = pre;
            head->last = next;
            pre = head;
            head = next;
        }
        return pre;
    }

// 打印链表
void printList(ListNode* head) {
    ListNode* current = head;
    while (current != nullptr) {
        cout << current->val << " -> ";
        current = current->next;
    }
    cout << "nullptr" << endl;
}

// 主函数
int main() {
    // 创建链表 1 -> 2 -> 3 -> nullptr
    ListNode* head = new ListNode(1);
    head->next = new ListNode(2);
    head->next->next = new ListNode(3);

    // 打印链表
    cout << "链表内容: ";
    printList(head);

    ListNode* reversedHead = reverseList(head);
    cout << "反转后的链表内容: ";
    printList(reversedHead);

    // 释放链表内存
    ListNode* current = reversedHead;
    while (current != nullptr) {
        ListNode* temp = current;
        current = current->next;
        delete temp;
    }

    return 0;
}

09.2合并链表

测试链接

#include <iostream>

// 定义链表节点结构
struct ListNode {
    int val;
    ListNode* next;

    ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
    ListNode(int x, ListNode* next) : val(x), next(next) {}
};

// 合并两个有序链表
ListNode* mergeTwoLists(ListNode* head1, ListNode* head2) {
    if (head1 == nullptr || head2 == nullptr) {
        return head1 == nullptr ? head2 : head1;
    }

    ListNode* head = head1->val <= head2->val ? head1 : head2;
    ListNode* cur1 = head->next;
    ListNode* cur2 = head == head1 ? head2 : head1;
    ListNode* pre = head;

    while (cur1 != nullptr && cur2 != nullptr) {
        if (cur1->val <= cur2->val) {
            pre->next = cur1;
            cur1 = cur1->next;
        } else {
            pre->next = cur2;
            cur2 = cur2->next;
        }
        pre = pre->next;
    }

    pre->next = cur1 != nullptr ? cur1 : cur2;
    return head;
}

// 辅助函数：打印链表
void printList(ListNode* head) {
    while (head != nullptr) {
        std::cout << head->val << " -> ";
        head = head->next;
    }
    std::cout << "nullptr" << std::endl;
}

int main() {
    // 创建两个链表
    ListNode* head1 = new ListNode(1, new ListNode(3, new ListNode(5)));
    ListNode* head2 = new ListNode(2, new ListNode(4, new ListNode(6)));

    std::cout << "List 1: ";
    printList(head1);
    std::cout << "List 2: ";
    printList(head2);

    // 合并链表
    ListNode* mergedHead = mergeTwoLists(head1, head2);

    std::cout << "Merged List: ";
    printList(mergedHead);

    // 释放链表内存（可选）
    while (mergedHead != nullptr) {
        ListNode* temp = mergedHead;
        mergedHead = mergedHead->next;
        delete temp;
    }

    return 0;
}

09.2两数相加

给你两个非空的链表，表示两个非负的整数
它们每位数字都是按照逆序的方式存储的，并且每个节点只能存储一位数字
请你将两个数相加，并以相同形式返回一个表示和的链表。
你可以假设除了数字 0 之外，这两个数都不会以 0 开头

测试链接

#include <iostream>

// 定义链表节点结构
struct ListNode {
    int val;
    ListNode* next;

    ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
    ListNode(int x, ListNode* next) : val(x), next(next) {}
};

// 实现两个链表数字相加
ListNode* addTwoNumbers(ListNode* h1, ListNode* h2) {
    ListNode* ans = nullptr; // 用于存储结果链表的头节点
    ListNode* cur = nullptr; // 用于构建结果链表的当前节点
    int carry = 0; // 进位

    for (int sum, val; // 声明变量
         h1 != nullptr || h2 != nullptr; // 终止条件
         h1 = (h1 == nullptr ? nullptr : h1->next), // 每一步 h1 的跳转
         h2 = (h2 == nullptr ? nullptr : h2->next) // 每一步 h2 的跳转
        ) {
        // 计算当前位的和，包括进位
        sum = (h1 == nullptr ? 0 : h1->val) + (h2 == nullptr ? 0 : h2->val) + carry;
        val = sum % 10; // 当前位的值
        carry = sum / 10; // 更新进位

        // 构建结果链表
        if (ans == nullptr) {
            ans = new ListNode(val);
            cur = ans;
        } else {
            cur->next = new ListNode(val);
            cur = cur->next;
        }
    }

    // 如果最后还有进位，追加一个新节点
    if (carry == 1) {
        cur->next = new ListNode(1);
    }

    return ans;
}

// 辅助函数：打印链表
void printList(ListNode* head) {
    while (head != nullptr) {
        std::cout << head->val << " -> ";
        head = head->next;
    }
    std::cout << "nullptr" << std::endl;
}

int main() {
    // 创建两个链表表示的数字
    ListNode* h1 = new ListNode(2, new ListNode(4, new ListNode(3))); // 表示数字 342
    ListNode* h2 = new ListNode(5, new ListNode(6, new ListNode(4))); // 表示数字 465

    std::cout << "List 1: ";
    printList(h1);
    std::cout << "List 2: ";
    printList(h2);

    // 计算两个链表数字的和
    ListNode* result = addTwoNumbers(h1, h2);

    std::cout << "Sum List: ";
    printList(result);

    // 释放链表内存（可选）
    while (h1 != nullptr) {
        ListNode* temp = h1;
        h1 = h1->next;
        delete temp;
    }
    while (h2 != nullptr) {
        ListNode* temp = h2;
        h2 = h2->next;
        delete temp;
    }
    while (result != nullptr) {
        ListNode* temp = result;
        result = result->next;
        delete temp;
    }

    return 0;
}

09.2分隔链表

给你一个链表的头节点 head 和一个特定值 x
请你对链表进行分隔，使得所有小于 x 的节点都出现在大于或等于 x 的节点之前。
你应当保留两个分区中每个节点的初始相对位置

测试链接

#include <iostream>

// 定义链表节点结构
struct ListNode {
    int val;
    ListNode* next;

    ListNode(int x) : val(x), next(nullptr) {}
    ListNode(int x, ListNode* next) : val(x), next(next) {}
};

// 实现链表分区操作
ListNode* partition(ListNode* head, int x) {
    ListNode* leftHead = nullptr; // < x 的区域
    ListNode* leftTail = nullptr;
    ListNode* rightHead = nullptr; // >= x 的区域
    ListNode* rightTail = nullptr;
    ListNode* next = nullptr;

    while (head != nullptr) {
        next = head->next; // 保存下一个节点
        head->next = nullptr; // 断开当前节点的连接

        if (head->val < x) {
            if (leftHead == nullptr) {
                leftHead = head;
            } else {
                leftTail->next = head;
            }
            leftTail = head;
        } else {
            if (rightHead == nullptr) {
                rightHead = head;
            } else {
                rightTail->next = head;
            }
            rightTail = head;
        }

        head = next; // 移动到下一个节点
    }

    if (leftHead == nullptr) {
        return rightHead; // 如果没有小于 x 的节点，直接返回右分区的头节点
    }

    // 将左分区的尾部连接到右分区的头部
    leftTail->next = rightHead;
    return leftHead; // 返回左分区的头节点
}

// 辅助函数：打印链表
void printList(ListNode* head) {
    while (head != nullptr) {
        std::cout << head->val << " -> ";
        head = head->next;
    }
    std::cout << "nullptr" << std::endl;
}

int main() {
    // 创建一个链表：1 -> 4 -> 3 -> 2 -> 5 -> 2
    ListNode* head = new ListNode(1, new ListNode(4, new ListNode(3, new ListNode(2, new ListNode(5, new ListNode(2))))));

    std::cout << "Original List: ";
    printList(head);

    // 分区操作，x = 3
    ListNode* partitionedHead = partition(head, 3);

    std::cout << "Partitioned List: ";
    printList(partitionedHead);

    // 释放链表内存（可选）
    while (partitionedHead != nullptr) {
        ListNode* temp = partitionedHead;
        partitionedHead = partitionedHead->next;
        delete temp;
    }

    return 0;
}

013队列、栈、环形队列

013.1队列

Queue1：使用queue容器进行

#include <queue>
#include <iostream>

class Queue1 {
private:
    std::queue<int> queue; // 使用C++ STL中的queue容器

public:
    // 判断队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return queue.empty();
    }

    // 向队列中加入元素，加到队尾
    void offer(int num) {
        queue.push(num);
    }

    // 从队列中取出元素，从队头取出
    int poll() {
        if (queue.empty()) {
            throw std::out_of_range("Queue is empty"); // 如果队列为空，抛出异常
        }
        int front = queue.front(); // 获取队头元素
        queue.pop(); // 弹出队头元素
        return front;
    }

    // 返回队列头的元素，但不弹出
    int peek() {
        if (queue.empty()) {
            throw std::out_of_range("Queue is empty"); // 如果队列为空，抛出异常
        }
        return queue.front();
    }

    // 返回队列中元素的数量
    int size() {
        return queue.size();
    }
};

int main() {
    Queue1 q;

    q.offer(1);
    q.offer(2);
    q.offer(3);

    std::cout << "Queue size: " << q.size() << std::endl; // 输出队列大小
    std::cout << "Front element: " << q.peek() << std::endl; // 输出队头元素
    std::cout << "Poll element: " << q.poll() << std::endl; // 弹出队头元素
    std::cout << "Queue size after poll: " << q.size() << std::endl; // 输出队列大小

    return 0;
}

queue2：使用数组，但是还是还是利用容器模拟数组

#include <iostream>
#include <vector>

class Queue2 {
public:
    std::vector<int> queue;
    int l;
    int r;

    // 构造函数，初始化队列大小
    Queue2(int n) : queue(n, 0), l(0), r(0) {}

    // 判断队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return l == r;
    }

    // 向队列中加入元素
    void offer(int num) {
        if (r >= queue.size()) {
            throw std::out_of_range("Queue is full"); // 如果队列已满，抛出异常
        }
        queue[r++] = num;
    }

    // 从队列中移除元素
    int poll() {
        if (isEmpty()) {
            throw std::out_of_range("Queue is empty"); // 如果队列为空，抛出异常
        }
        return queue[l++];
    }

    // 返回队列头部的元素
    int head() {
        if (isEmpty()) {
            throw std::out_of_range("Queue is empty"); // 如果队列为空，抛出异常
        }
        return queue[l];
    }

    // 返回队列尾部的元素
    int tail() {
        if (isEmpty()) {
            throw std::out_of_range("Queue is empty"); // 如果队列为空，抛出异常
        }
        return queue[r - 1];
    }

    // 返回队列中元素的数量
    int size() {
        return r - l;
    }
};

int main() {
    Queue2 q(5); // 创建一个大小为5的队列

    q.offer(1);
    q.offer(2);
    q.offer(3);

    std::cout << "Queue size: " << q.size() << std::endl; // 输出队列大小
    std::cout << "Head element: " << q.head() << std::endl; // 输出队头元素
    std::cout << "Tail element: " << q.tail() << std::endl; // 输出队尾元素
    std::cout << "Poll element: " << q.poll() << std::endl; // 弹出队头元素
    std::cout << "Queue size after poll: " << q.size() << std::endl; // 输出队列大小

    return 0;
}

013.2栈

stack1：c++中stack容器

#include <iostream>
#include <stack>

class Stack1 {
public:
    std::stack<int> stack;

    // 判断栈是否为空
    bool isEmpty() {
        return stack.empty();
    }

    // 向栈中压入一个元素
    void push(int num) {
        stack.push(num);
    }

    // 从栈中弹出一个元素
    int pop() {
        if (stack.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        int top = stack.top(); // 获取栈顶元素
        stack.pop(); // 弹出栈顶元素
        return top;
    }

    // 返回栈顶元素但不弹出
    int peek() {
        if (stack.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        return stack.top();
    }

    // 返回栈中元素的数量
    int size() {
        return stack.size();
    }
};

int main() {
    Stack1 s;

    s.push(1);
    s.push(2);
    s.push(3);

    std::cout << "Stack size: " << s.size() << std::endl; // 输出栈大小
    std::cout << "Top element: " << s.peek() << std::endl; // 输出栈顶元素
    std::cout << "Pop element: " << s.pop() << std::endl; // 弹出栈顶元素
    std::cout << "Stack size after pop: " << s.size() << std::endl; // 输出栈大小

    return 0;
}

stack2：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept> // 用于抛出异常

class Stack2 {
public:
    std::vector<int> stack; // 使用 std::vector 来模拟固定大小的数组
    int size; // 当前栈中的元素个数

    // 构造函数，初始化栈的大小
    Stack2(int n) : stack(n, 0), size(0) {}

    // 判断栈是否为空
    bool isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    // 向栈中压入一个元素
    void push(int num) {
        if (size >= stack.size()) {
            throw std::out_of_range("Stack is full"); // 如果栈已满，抛出异常
        }
        stack[size++] = num;
    }

    // 从栈中弹出一个元素
    int pop() {
        if (isEmpty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        return stack[--size];
    }

    // 返回栈顶元素但不弹出
    int peek() {
        if (isEmpty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        return stack[size - 1];
    }

    // 返回栈中元素的数量
    int size() {
        return size;
    }
};

int main() {
    Stack2 s(5); // 创建一个大小为5的栈

    s.push(1);
    s.push(2);
    s.push(3);

    std::cout << "Stack size: " << s.size() << std::endl; // 输出栈大小
    std::cout << "Top element: " << s.peek() << std::endl; // 输出栈顶元素
    std::cout << "Pop element: " << s.pop() << std::endl; // 弹出栈顶元素
    std::cout << "Stack size after pop: " << s.size() << std::endl; // 输出栈大小

    return 0;
}

013.3循环队列

#include <iostream>
#include <vector>

class MyCircularQueue {
public:
    std::vector<int> queue; // 使用 std::vector 来模拟数组
    int l, r, size, limit;  // l: 队列头部指针，r: 队列尾部指针，size: 当前队列大小，limit: 队列容量

    // 构造函数，初始化循环队列的大小
    MyCircularQueue(int k) : queue(k, 0), l(0), r(0), size(0), limit(k) {}

    // 如果队列满了，什么也不做，返回false
    // 如果队列没满，加入value，返回true
    bool enQueue(int value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        } else {
            queue[r] = value;
            // r = (r + 1) % limit; // 循环队列的关键操作：尾指针循环移动
            r=r==limit-1?0:(r+1);
            size++;
            return true;
        }
    }

    // 如果队列空了，什么也不做，返回false
    // 如果队列没空，弹出头部的数字，返回true
    bool deQueue() {
        if (isEmpty()) {
            return false;
        } else {
            // l = (l + 1) % limit; // 循环队列的关键操作：头指针循环移动
            l=l==limit-1?0:(l+1);
            size--;
            return true;
        }
    }

    // 返回队列头部的数字（不弹出），如果没有数返回-1
    int Front() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        } else {
            return queue[l];
        }
    }

    // 返回队列尾部的数字（不弹出），如果没有数返回-1
    int Rear() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        } else {
            int last = (r == 0) ? (limit - 1) : (r - 1); // 循环队列的关键操作：计算尾部索引
            return queue[last];
        }
    }

    // 判断队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    // 判断队列是否已满
    bool isFull() {
        return size == limit;
    }
};

int main() {
    MyCircularQueue q(5); // 创建一个大小为5的循环队列

    q.enQueue(1);
    q.enQueue(2);
    q.enQueue(3);

    std::cout << "Front element: " << q.Front() << std::endl; // 输出队头元素
    std::cout << "Rear element: " << q.Rear() << std::endl;  // 输出队尾元素
    std::cout << "Dequeue element: " << q.deQueue() << std::endl; // 弹出队头元素
    std::cout << "Front element after dequeue: " << q.Front() << std::endl; // 输出队头元素

    return 0;
}

014栈-队列的相互转换

014.1用栈实现队列

测试链接

#include <iostream>
#include <stack>

class MyQueue {
public:
    std::stack<int> in;  // 用于存储新加入的元素
    std::stack<int> out; // 用于存储待弹出的元素

    MyQueue() {
        // 构造函数，初始化两个栈
    }

    // 从 in 栈倒入 out 栈
    void inToOut() {
        if (out.empty()) { // 只有当 out 栈为空时，才从 in 栈倒入数据
            while (!in.empty()) {
                out.push(in.top());
                in.pop();
            }
        }
    }

    // 向队列中加入元素
    void push(int x) {
        in.push(x); // 新元素直接压入 in 栈
        inToOut();  // 立即进行数据倒置，确保 out 栈始终是待弹出的顺序
    }

    // 从队列中弹出元素
    int pop() {
        inToOut(); // 确保 out 栈有数据
        int result = out.top(); // 获取 out 栈的栈顶元素
        out.pop(); // 弹出 out 栈的栈顶元素
        return result;
    }

    // 返回队列头部的元素（不弹出）
    int peek() {
        inToOut(); // 确保 out 栈有数据
        return out.top(); // 返回 out 栈的栈顶元素
    }

    // 判断队列是否为空
    bool empty() {
        return in.empty() && out.empty(); // 队列为空当且仅当两个栈都为空
    }
};

int main() {
    MyQueue q;

    q.push(1);
    q.push(2);
    q.push(3);

    std::cout << "Front element: " << q.peek() << std::endl; // 输出队头元素
    std::cout << "Pop element: " << q.pop() << std::endl; // 弹出队头元素
    std::cout << "Front element after pop: " << q.peek() << std::endl; // 输出队头元素
    std::cout << "Queue is empty: " << (q.empty() ? "true" : "false") << std::endl; // 判断队列是否为空

    return 0;
}

014.2用队列实现栈

测试链接

#include <iostream>
#include <queue>

class MyStack {
public:
    std::queue<int> queue;

    MyStack() {
        // 构造函数，初始化队列
    }

    // O(n) 时间复杂度
    void push(int x) {
        int n = queue.size();
        queue.push(x); // 将新元素加入队列
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            queue.push(queue.front()); // 将队列头部元素移到队尾
            queue.pop(); // 移除队列头部元素
        }
    }

    int pop() {
        int result = queue.front(); // 获取队列头部元素
        queue.pop(); // 移除队列头部元素
        return result;
    }

    int top() {
        return queue.front(); // 返回队列头部元素
    }

    bool empty() {
        return queue.empty(); // 判断队列是否为空
    }
};

int main() {
    MyStack stack;

    stack.push(1);
    stack.push(2);
    stack.push(3);

    std::cout << "Top element: " << stack.top() << std::endl; // 输出栈顶元素
    std::cout << "Pop element: " << stack.pop() << std::endl; // 弹出栈顶元素
    std::cout << "Top element after pop: " << stack.top() << std::endl; // 输出栈顶元素
    std::cout << "Stack is empty: " << (stack.empty() ? "true" : "false") << std::endl; // 判断栈是否为空

    return 0;
}

015最小栈

测试链接

minstack1：两个栈构成

#include <iostream>
#include <stack>
#include <stdexcept> // 用于抛出异常

class MinStack {
public:
    std::stack<int> data; // 存储所有元素
    std::stack<int> min;  // 存储当前最小值

    MinStack() {
        // 构造函数，初始化两个栈
    }

    // 向栈中压入一个元素
    void push(int val) {
        data.push(val); // 将元素压入 data 栈
        if (min.empty() || val <= min.top()) {
            min.push(val); // 如果 min 栈为空或当前值小于等于 min 栈顶，则压入 min 栈
        } else {
            min.push(min.top()); // 否则，将 min 栈顶元素再次压入 min 栈
        }
    }

    // 从栈中弹出一个元素
    void pop() {
        if (data.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        data.pop(); // 弹出 data 栈顶元素
        min.pop();  // 弹出 min 栈顶元素
    }

    // 获取栈顶元素
    int top() {
        if (data.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        return data.top(); // 返回 data 栈顶元素
    }

    // 获取当前栈中的最小值
    int getMin() {
        if (min.empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        return min.top(); // 返回 min 栈顶元素
    }
};

int main() {
    MinStack stack;

    stack.push(3);
    stack.push(1);
    stack.push(2);

    std::cout << "Top element: " << stack.top() << std::endl; // 输出栈顶元素
    std::cout << "Minimum element: " << stack.getMin() << std::endl; // 输出当前最小值

    stack.pop();
    std::cout << "Top element after pop: " << stack.top() << std::endl; // 输出栈顶元素
    std::cout << "Minimum element after pop: " << stack.getMin() << std::endl; // 输出当前最小值

    return 0;
}

minstack2：数组构成

#include <iostream>
#include <stdexcept> // 用于抛出异常

class MinStack {
public:
    static const int MAXN = 8001; // 最大容量
    int data[MAXN];  // 存储栈中的数据
    int min[MAXN];   // 存储当前栈中的最小值
    int size;        // 当前栈的大小

    MinStack() : size(0) {
        // 构造函数，初始化栈
    }

    // 向栈中压入一个元素
    void push(int val) {
        if (size >= MAXN) {
            throw std::out_of_range("Stack overflow"); // 如果栈已满，抛出异常
        }
        data[size] = val;
        if (size == 0 || val <= min[size - 1]) {
            min[size] = val;
        } else {
            min[size] = min[size - 1];
        }
        size++;
    }

    // 从栈中弹出一个元素
    void pop() {
        if (size == 0) {
            throw std::out_of_range("Stack underflow"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        size--;
    }

    // 获取栈顶元素
    int top() {
        if (size == 0) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        return data[size - 1];
    }

    // 获取当前栈中的最小值
    int getMin() {
        if (size == 0) {
            throw std::out_of_range("Stack is empty"); // 如果栈为空，抛出异常
        }
        return min[size - 1];
    }
};

int main() {
    MinStack stack;

    stack.push(3);
    stack.push(1);
    stack.push(2);

    std::cout << "Top element: " << stack.top() << std::endl; // 输出栈顶元素
    std::cout << "Minimum element: " << stack.getMin() << std::endl; // 输出当前最小值

    stack.pop();
    std::cout << "Top element after pop: " << stack.top() << std::endl; // 输出栈顶元素
    std::cout << "Minimum element after pop: " << stack.getMin() << std::endl; // 输出当前最小值

    return 0;
}

016双端队列

测试链接

使用deque容器

#include <iostream>
#include <deque>

class MyCircularDeque {
public:
    std::deque<int> deque; // 使用 std::deque 作为底层数据结构
    int size;              // 当前队列的大小
    int limit;             // 队列的最大容量

    // 构造函数，初始化队列的最大容量
    MyCircularDeque(int k) : size(0), limit(k) {}

    // 在队列前端插入一个元素
    bool insertFront(int value) {
        if (isFull()) {
            return false; // 如果队列已满，返回 false
        } else {
            deque.push_front(value); // 在前端插入元素
            size++;
            return true;
        }
    }

    // 在队列后端插入一个元素
    bool insertLast(int value) {
        if (isFull()) {
            return false; // 如果队列已满，返回 false
        } else {
            deque.push_back(value); // 在后端插入元素
            size++;
            return true;
        }
    }

    // 从队列前端删除一个元素
    bool deleteFront() {
        if (isEmpty()) {
            return false; // 如果队列为空，返回 false
        } else {
            deque.pop_front(); // 从前端删除元素
            size--;
            return true;
        }
    }

    // 从队列后端删除一个元素
    bool deleteLast() {
        if (isEmpty()) {
            return false; // 如果队列为空，返回 false
        } else {
            deque.pop_back(); // 从后端删除元素
            size--;
            return true;
        }
    }

    // 获取队列前端的元素
    int getFront() {
        if (isEmpty()) {
            return -1; // 如果队列为空，返回 -1
        } else {
            return deque.front(); // 返回前端元素
        }
    }

    // 获取队列后端的元素
    int getRear() {
        if (isEmpty()) {
            return -1; // 如果队列为空，返回 -1
        } else {
            return deque.back(); // 返回后端元素
        }
    }

    // 判断队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    // 判断队列是否已满
    bool isFull() {
        return size == limit;
    }
};

int main() {
    MyCircularDeque deque(5); // 创建一个容量为 5 的循环双端队列

    deque.insertFront(1);
    deque.insertLast(2);
    deque.insertFront(3);
    deque.insertLast(4);

    std::cout << "Front element: " << deque.getFront() << std::endl; // 输出前端元素
    std::cout << "Rear element: " << deque.getRear() << std::endl;   // 输出后端元素

    deque.deleteFront();
    deque.deleteLast();

    std::cout << "Front element after delete: " << deque.getFront() << std::endl; // 输出前端元素
    std::cout << "Rear element after delete: " << deque.getRear() << std::endl;   // 输出后端元素

    return 0;
}

使用数组

#include <iostream>
#include <vector>

class MyCircularDeque {
public:
    std::vector<int> deque; // 使用 std::vector 作为底层数组
    int l, r, size, limit;  // l: 队列前端指针，r: 队列后端指针，size: 当前大小，limit: 最大容量

    // 构造函数，初始化队列
    MyCircularDeque(int k) : deque(k), l(0), r(0), size(0), limit(k) {}

    // 在队列前端插入一个元素
    bool insertFront(int value) {
        if (isFull()) {
            return false; // 如果队列已满，返回 false
        }
        if (isEmpty()) {
            l = r = 0; // 如果队列为空，初始化指针
        } else {
            l = (l == 0) ? (limit - 1) : (l - 1); // 循环移动前端指针
        }
        deque[l] = value; // 插入元素
        size++;
        return true;
    }

    // 在队列后端插入一个元素
    bool insertLast(int value) {
        if (isFull()) {
            return false; // 如果队列已满，返回 false
        }
        if (isEmpty()) {
            l = r = 0; // 如果队列为空，初始化指针
        } else {
            r = (r == limit - 1) ? 0 : (r + 1); // 循环移动后端指针
        }
        deque[r] = value; // 插入元素
        size++;
        return true;
    }

    // 从队列前端删除一个元素
    bool deleteFront() {
        if (isEmpty()) {
            return false; // 如果队列为空，返回 false
        }
        l = (l == limit - 1) ? 0 : (l + 1); // 循环移动前端指针
        size--;
        return true;
    }

    // 从队列后端删除一个元素
    bool deleteLast() {
        if (isEmpty()) {
            return false; // 如果队列为空，返回 false
        }
        r = (r == 0) ? (limit - 1) : (r - 1); // 循环移动后端指针
        size--;
        return true;
    }

    // 获取队列前端的元素
    int getFront() {
        if (isEmpty()) {
            return -1; // 如果队列为空，返回 -1
        }
        return deque[l]; // 返回前端元素
    }

    // 获取队列后端的元素
    int getRear() {
        if (isEmpty()) {
            return -1; // 如果队列为空，返回 -1
        }
        return deque[r]; // 返回后端元素
    }

    // 判断队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    // 判断队列是否已满
    bool isFull() {
        return size == limit;
    }
};

int main() {
    MyCircularDeque deque(5); // 创建一个容量为 5 的循环双端队列

    deque.insertFront(1);
    deque.insertLast(2);
    deque.insertFront(3);
    deque.insertLast(4);

    std::cout << "Front element: " << deque.getFront() << std::endl; // 输出前端元素
    std::cout << "Rear element: " << deque.getRear() << std::endl;   // 输出后端元素

    deque.deleteFront();
    deque.deleteLast();

    std::cout << "Front element after delete: " << deque.getFront() << std::endl; // 输出前端元素
    std::cout << "Rear element after delete: " << deque.getRear() << std::endl;   // 输出后端元素

    return 0;
}

017二叉树实现

先序：任何子树先中后左再右；
中序：左中右；
后序：左右中

017.1递归实现

1、递归序

#include <iostream>

// 定义二叉树节点结构
struct TreeNode {
    int val;
    TreeNode* left;
    TreeNode* right;

    TreeNode(int v) : val(v), left(nullptr), right(nullptr) {}
};

// 递归函数，用于遍历二叉树
void f(TreeNode* head) {
    if (head == nullptr) {
        return;
    }
    // 1：第一次到所在节点
    f(head->left); // 递归遍历左子树
    // 2：第二次到所在节点
    f(head->right); // 递归遍历右子树
    // 3：第三次到所在节点
}

// 辅助函数：创建一个简单的二叉树
TreeNode* createTree() {
    TreeNode* root = new TreeNode(1);
    root->left = new TreeNode(2);
    root->right = new TreeNode(3);
    root->left->left = new TreeNode(4);
    root->left->right = new TreeNode(5);
    root->right->left = new TreeNode(6);
    root->right->right = new TreeNode(7);
    return root;
}

// 辅助函数：释放二叉树内存
void deleteTree(TreeNode* root) {
    if (root == nullptr) {
        return;
    }
    deleteTree(root->left);
    deleteTree(root->right);
    delete root;
}

在这里插入图片描述
按照递归序，上述顺序为：1，2，4，4，4，2，5，5，5，2，1，3，6，6，6，3，7，7，7，3，1；可以看出在每个节点都经过三次。之后的先序、中序、后序可以看作在递归序中的三次停靠分别打印所在节点。

时间复杂度O(n)，额外空间复杂度O(h)，h是二叉树的高度；

2、先序

// 前序遍历：递归版
void preOrder(TreeNode* head) {
    if (head == nullptr) {
        return;
    }
    std::cout << head->val << " "; // 访问当前节点
    preOrder(head->left);          // 递归遍历左子树
    preOrder(head->right);         // 递归遍历右子树
}

3、中序

// 中序遍历：递归版
void inOrder(TreeNode* head) {
    if (head == nullptr) {
        return;
    }
    inOrder(head->left);           // 递归遍历左子树
    std::cout << head->val << " "; // 访问当前节点
    inOrder(head->right);          // 递归遍历右子树
}

4、后序

// 后序遍历：递归版
void posOrder(TreeNode* head) {
    if (head == nullptr) {
        return;
    }
    posOrder(head->left);          // 递归遍历左子树
    posOrder(head->right);         // 递归遍历右子树
    std::cout << head->val << " "; // 访问当前节点
}

017.2 非递归实现

先序测试链接
中序测试链接

1.先序、中序

#include <iostream>
#include <stack>

// 定义二叉树节点结构
struct TreeNode {
    int val;
    TreeNode* left;
    TreeNode* right;

    TreeNode(int v) : val(v), left(nullptr), right(nullptr) {}
};

// 先序遍历：非递归版
void preOrder(TreeNode* head) {
    if (head != nullptr) {
        std::stack<TreeNode*> stack; // 使用 std::stack 来模拟递归
        stack.push(head);

        while (!stack.empty()) {
            head = stack.top(); // 获取栈顶元素
            stack.pop();        // 弹出栈顶元素
            std::cout << head->val << " "; // 访问当前节点

            // 先将右子节点入栈（如果存在）
            if (head->right != nullptr) {
                stack.push(head->right);
            }
            // 再将左子节点入栈（如果存在）
            if (head->left != nullptr) {
                stack.push(head->left);
            }
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}

// 中序遍历：非递归版
void inOrder(TreeNode* head) {
    if (head != nullptr) {
        std::stack<TreeNode*> stack; // 使用 std::stack 来模拟递归
        while (!stack.empty() || head != nullptr) {
            // 将当前节点的所有左子节点压入栈
            while (head != nullptr) {
                stack.push(head);
                head = head->left;
            }
            // 弹出栈顶节点并访问
            head = stack.top();
            stack.pop();
            std::cout << head->val << " ";
            // 转向右子节点
            head = head->right;
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}

// 辅助函数：创建一个简单的二叉树
TreeNode* createTree() {
    TreeNode* root = new TreeNode(1);
    root->left = new TreeNode(2);
    root->right = new TreeNode(3);
    root->left->left = new TreeNode(4);
    root->left->right = new TreeNode(5);
    root->right->left = new TreeNode(6);
    root->right->right = new TreeNode(7);
    return root;
}

// 辅助函数：释放二叉树内存
void deleteTree(TreeNode* root) {
    if (root == nullptr) {
        return;
    }
    deleteTree(root->left);
    deleteTree(root->right);
    delete root;
}

int main() {
    TreeNode* root = createTree(); // 创建一个简单的二叉树

    std::cout << "PreOrder (Non-Recursive): ";
    preOrder(root); // 非递归先序遍历
    
	std::cout << "inOrder (Non-Recursive): ";
    inOrder(root); // 非递归先序遍历

    deleteTree(root); // 释放二叉树内存
    return 0;
}

2.后序

测试链接

使用两个栈

#include <iostream>
#include <stack>

struct TreeNode {
    int val;
    TreeNode* left;
    TreeNode* right;

    TreeNode(int v) : val(v), left(nullptr), right(nullptr) {}
};

void posOrderTwoStacks(TreeNode* head) {
    if (head != nullptr) {
        std::stack<TreeNode*> stack; // 用于模拟递归
        std::stack<TreeNode*> collect; // 用于收集节点
        stack.push(head);

        while (!stack.empty()) {
            head = stack.top();
            stack.pop();
            collect.push(head);

            if (head->left != nullptr) {
                stack.push(head->left);
            }
            if (head->right != nullptr) {
                stack.push(head->right);
            }
        }

        while (!collect.empty()) {
            std::cout << collect.top()->val << " ";
            collect.pop();
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}

使用一个栈

void posOrderOneStack(TreeNode* h) {
    if (h != nullptr) {
        std::stack<TreeNode*> stack;
        stack.push(h);
        TreeNode* lastPrinted = nullptr; // 上一次打印的节点

        while (!stack.empty()) {
            TreeNode* cur = stack.top();

            if (cur->left != nullptr && lastPrinted != cur->left && lastPrinted != cur->right) {
                // 有左子树且左子树未处理
                stack.push(cur->left);
            } else if (cur->right != nullptr && lastPrinted != cur->right) {
                // 有右子树且右子树未处理
                stack.push(cur->right);
            } else {
                // 左子树和右子树都已处理或不存在
                std::cout << cur->val << " ";
                lastPrinted = stack.top();
                stack.pop();
            }
        }
        std::cout << std::endl;
    }
}