20172303 2018-2019-1 《程序设计与数据结构》实验一报告

• 课程：《程序设计与数据结构》
• 班级： 1723
• 姓名： 范雯琪
• 学号：20172303
• 实验教师：王志强
• 助教：张师瑜/张之睿
• 实验日期：2018年9月26日
• 必修/选修： 必修

实验内容

本次实验分为链表练习和数组练习两部分，是对我们从开学到现在学过的数据结构的一个练习及应用。虽然蓝墨云上分了五个节点，但实际上是用链表和数组的方式分别进行以下三个节点的步骤。

节点一

• 通过键盘输入一些整数，建立一个链表。
• 打印所有链表元素， 并输出元素的总数。
• 在程序中，请用一个特殊变量名来纪录元素的总数。

节点二

• 从磁盘读取一个文件，这个文件有两个数字。
• 在实验一的基础上实现节点插入、删除、输出操作：
  • 从文件中读入数字1，插入到链表第5位，并打印所有数字和元素的总数。
  • 从文件中读入数字2，插入到链表第0位，并打印所有数字和元素的总数。
  • 从链表中删除刚才的数字1，并打印所有数字和元素的总数。

节点三

• 使用冒泡排序法或者选择排序法根据数值大小对链表进行排序（学号是单数，选择冒泡排序，否则选择选择排序）
• 在排序的每一个轮次中，打印元素的总数，和目前链表的所有元素。

实验过程及结果

实验一

实验一的要求是完成上述节点一所提到的内容。

1.链表的使用

• 本学期至今我们学过的使用链表实现的有栈和队列两种逻辑结构，由于题目提到的要求是要将输入的元素打印出来，因此要存储输入的元素的顺序，所以应该选择元素处理方式为FIFO（先进先出）的队列。
• 我选择了第五章学习的LinkedQueue类来实现，主要使用了LinkedQueue类的构造方法、enqueue方法、size()方法和toString()方法。
  

2.实现将输入的字符串转换成链表

• 这里我使用了两种方法来实现，一种使用了StringTokenizer类，另一种使用了String类的split方法。
• StringTokenizer类
  • 我原本参照着以前的PP3.2中的代码来实现的。

    StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(str);while (tokenizer.hasMoreTokens()){String transfer = tokenizer.nextToken();for (int i = 0;i < transfer.length();i++){queue.enqueue(transfer.charAt(i));}}

  • 但是在测试的时候发现它变成了一个数字一个节点，即使我输入空格来进行划分，输出结果也是一样的。
    
  • 在使用了DeBug之后发现是for循环的条件出了问题，同时，因为我之前使用的是charAt()方法，所以导致了输出之后是一个数字一个节点的问题。

  StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(str);while (tokenizer.hasMoreTokens()){String transfer = tokenizer.nextToken();for (int i = 1;i < transfer.length();i++){queue.enqueue(transfer);}}

• split方法
  • 这个方法相对来说比较简单，JDK中的介绍是这样的：
    
  • 它其实就是按照指定的正则表达式（这里使用的空格）将输入的内容进行划分并放到一个字符串数组中，之后再通过一个循环将数组转化成链表即可。

  String[] transfer = str.split(" ");
  for (int i = 0; i < transfer.length;i++){queue.enqueue(transfer[i]);
  }

3.测试结果

实验二

实验二的要求是完成上述节点二所提到的内容。

1.实现文件的读取

• 文件的读取和写入我们在上个学期已经学习并使用过，这回应该是让我们进行一个复习，此处附上学期学习IO流的记录博客
• 我使用的是字节缓冲流的方式。

//读取文件
BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream("E:\\java\\point2.txt"));
//一次性取多少字节
byte[] bytes = new byte[2048];
//接受读取的内容(n就代表的相关数据，只不过是数字的形式)
int n = -1;
String a = null;
//循环取出数据
while ((n = in.read(bytes,0,bytes.length)) != -1) {//转换成字符串a = new String(bytes,0,n,"GBK");
}

2.实现插入和删除的方法

• 之前在学习链表的时候，老师曾经布置过作业活动让我们来实现链表的插入和删除，这里的实现其实与当初的实现是大同小异的。所以要做的就是修改之前的LinkedQueue类，在其中加入三个方法即可。
• 在开头插入

public void addFirst(T element){LinearNode<T> node = new LinearNode<T>((T) element);if (head == null) {head = node;tail = node;}else {node.setNext(head);head = node;}count++;}

• 在中间插入

public void addMiddle(int index,T element){LinearNode<T> node = new LinearNode<>(element);LinearNode<T> current = head;int j = 0;while (current != null && j < index - 2){//使指针指向index-1的位置current = current.getNext();j ++;}node.setNext(current.getNext());current.setNext(node);count++;}

• 删除

public void Delete(int index){LinearNode<T> current = head;LinearNode<T> temp = head;if (index == 0){head = head.getNext();}else {for (int i = 0;i < index - 1;i++){temp = current;current = current.getNext();}temp.setNext(current.getNext());}count--;}

3.测试结果

实验三

实验三的要求是完成上述节点三所提到的内容。

1.冒泡排序

• 原理：比较两个相邻的元素，将值大的元素交换至右端。
  
• 优点：每进行一趟排序，就会少比较一次，因为每进行一趟排序都会找出一个较大值。
• 时间复杂度：如果这个排序本来就是正序的，那么冒泡排序的时间复杂度就是O(n)，但是显然在显示生活中这种情况是很少见的。如果很不幸我们的数据是反序的，则需要进行n-1趟排序。每趟排序要进行n-i次比较(1≤i≤n-1)，且每次比较都必须移动记录三次来达到交换记录位置。在这种情况下，比较和移动次数均达到最大值：
  
• 所以冒泡排序的最坏时间复杂度为O(n^2)。
• 因此，冒泡排序的平均时间复杂度为O(n^2)，其实就是说：当数据越接近正序时，冒泡排序性能越好。

public void Sort(){LinearNode<T> node = head,current = null;if (head == null || head.getNext() == null){return;}while (node.getNext() != current){while (node.getNext() != current){if (Integer.parseInt(String.valueOf(node.getElement()))  > (Integer.parseInt(String.valueOf(node.getNext().getElement())))){T temp = node.getElement();node.setElement(node.getNext().getElement());node.getNext().setElement(temp);}node = node.getNext();}current = node;node = head;LinearNode<T> temp = head;String str = "";int i = 0;while (temp != null){str += temp.getElement() + " ";temp = temp.getNext();i++;}System.out.println(str);System.out.println("元素总数为： " + count);}return;}

2.测试结果

实验四

实验四的要求是完成上述节点一和节点二所提到的内容。

1.数组的使用

• 因为书上所给出的用数组实现的队列是一个循环队列，放在这里不是很好用，所以我又重新写了一个ArrayQueue类来完成接下来的实验，因为时间关系我只写了实验中要使用的方法，而一些Queue常规的方法比如dequeue并没有实现。
• 和实验一一样，要使用了LinkedQueue类的构造方法、enqueue方法、size()方法和toString()方法，在编写这些方法中一些其他必要的方法比如isEmpty()、expandCapacity()等也都进行了实现。
• 由于ArrayQueue类中的方法很多，此处就不再一一列出，放出码云链接。

2.实现插入和删除的功能

• 其他步骤与实验一、实验二相同，在此就不再赘述。
• 插入
  • 数组的插入相比链表的插入要简单一些，因为不需要考虑插入元素所在的位置，因为数组的存储地址都是连续的，因此不害怕会存在像链表一样丢失某个节点的情况。

  public void insert(int index,int element){if (index != 0){int i;for (i = count + 1; i >= index - 1; i--){queue[i] = queue[i - 1];}queue[i + 1] = element;}else {for (int i = count + 1;i > 0;i--){queue[i] = queue[i - 1];}queue[0] = element;}count++;
  }

• 删除
  • 数组的删除操作更为简单，只要将数组后一个的值赋给要删除的位置即可。

  public void delete(int index){for (int i = index;i < count;i++){queue[i] = queue[i + 1];}count--;
  }

3.测试结果

实验五

1.插入排序

• 插入排序是上学期学过的两种排序之一，当初课本上实现插入排序也是通过数组实现的，所以这里插入排序的实现也比较简单。

public void Sort(){for (int i = 0;i < count;i++){int k = i;//找出最小值for (int j = i + 1;j < count;j++){if (queue[k] > queue[j]){k = j;}}//进行排序if (k > i){int temp = queue[i];queue[i] = queue[k];queue[k] = temp;}int b = i + 1;System.out.println("第" + b + "次排序后的数组为： ");for (int a = 0;a < count;a++){String str = "";str += queue[a] + " ";System.out.print(str);}System.out.println();System.out.println("元素总数为： " + count);}}

2.测试结果

实验过程中遇到的问题和解决过程

• 问题1：split和StringTokenizer都能实现截取字符串的功能，那么在实际情况中应该如何选择呢？
• 问题1解决方法：查找了很多资料发现都说StringTokenizer要比split性能好.
  
• 大家在对比时都是将subString、split和StringTokenizer三者进行比较的，可能因为不同的人测试的方法不同，有时候subString比split效率高但是有时候split又更胜一筹，但是StringTokenizer肯定都是耗费时间最短的。不过当要截取的字符串不是很长时三者可以随意使用，因为大多数人在实验时使用的单位都是纳秒，其实差别不是很大。我找到一篇我认为讲解最详细的一篇博客：StringTokenizer、split、substring对比。
• 问题2：在实现冒泡排序时，输出错误
  
• 问题2解决方法：经过了特别多次DeBug之后终于发现，我设置的临时节点temp的值会随着node的值的变化而变化。于是我修改了代码，不再设置一个节点而是设置一个泛型T来储存原本node的值。
• 注释内的是原来的错误代码。
  

其他（感悟、思考等）

• 这回的实验感觉难点主要还是集中在链表，其次是排序问题。问了很多同学发现大家都是实验一、实验二和实验四早早就做出来了，就是实验三和实验五比较难做。不过这回实验还是做得很开心的，因为让我复习到了很多以前的知识，突然就意识到了做课程总结的好处，这样我每次回去翻博客的时候总是能很快翻到。
• 不过在放假前一天在912花9个小时来做实验这种体验真的不希望再有第二回了。
  

参考资料

• java中subString、split、stringTokenizer三种截取字符串方法的性能比较
• Java中的经典算法之冒泡排序(Bubble Sort)
• Java常用的八种排序算法与代码实现