数据结构与算法分析——Java语言描述 (2008 年度畅销榜NO.1350 )

　　本书是国外数据结构与算法分析方面的标准教材，使用最卓越的Java编程语言作为实现工具讨论了数据结构(组织大量数据的方法)和算法分析(对算法运行时间的估计)。,.,..,,.,,
　　书中着重阐述了抽象数据类型的概念，并对算法的效率、性能和运行时间做了全面的分析，为读者开发高效率的程序奠定了基础。
　　本书可作为高级数据结构课程或者高等院校本科生、研究生算法分析课程的教材。
　　包含用Java语言编写的丰富的样例程序，这些代码可从因特网上得到专用一章来讨论算法设计技巧，包括贪婪算法、分治算法、动态规划算法、随机化算法以及回溯算法
阐述当前流行的论题和新的数据结构，如斐波那契堆、斜堆、二项队列、跳跃表和伸展树专用一章讨论摊还分析，并进而考察书中描述的一些高级数据结构的性能安排了一章讨论高级数据结构及其实现，其中包括红黑树、自上而下伸展树、k-d树、配对堆等提出一些尚未解决和尚末完全解决的问题书末附有两个关于Java语言的附录，附录A介绍基本的Java类，附录B则讨论Collections类库，介绍了许多与本书的数据结构和算法密切相关的Java程序.

第1章 引论
1. 1 本书讨论的内容
1. 2 数学知识复习
1. 2. 1 指数
1. 2. 2 对数
1. 2. 3 级数
1. 2. 4 模运算
1. 2. 5 证明方法
1. 3 递归简论
1. 4 Java中的一般对象
1. 4. 1 IntCell类
1. 4. 2 MemoryCell类
1. 4. 3 实现一般的findMax方法
1. 5 异常
1. 6 输入和输出
1. 6. 1 基本的流操作
1. 6. 2 StringTokenizer对象
1. 6. 3 顺序文件
1. 7 代码的组织
1. 7. 1 包
1. 7. 2 MyInteger类
1. 7. 3 关于效率的考虑
小结
练习
参考文献
第2章 算法分析
2. 1 数学基础
2. 2 模型
2. 3 要分析的问题
2. 4 运行时间计算
2. 4. 1 一个简单的例子
2. 4. 2 一般法则
2. 4. 3 最大子序列和问题的解
2. 4. 4 运行时间中的对数
2. 4. 5 检验你的分析
2. 4. 6 分析结果的准确性
小结
练习
参考文献
笫3章 表. 栈和队列
3. 1 抽象数据类型(ADT)
3. 2 表ADT
3. 2. 1 表的简单数组实现
3. 2. 2 链表
3. 2. 3 程序设计细节
3. 2. 4 双链表
3. 2. 5 循环链表
3. 2. 6 例子
3. 2. 7 链表的游标实现
3. 3 栈ADT
3. 3. 1 栈模型
3. 3. 2 栈的实现
3. 3. 3 应用
3. 4 队列ADT
3. 4. 1 队列模型
3. 4. 2 队列的数组实现
3. 4. 3 队列的应用
小结
练习
第4章 树
4. 1 预备知识
4. 1. 1 树的实现
4. 1. 2 树的遍历及应用
4. 2 二叉树
4. 2. 1 实现
4. 2. 2 一个例子：表达式树
4. 3 查找树ADT-二叉查找树
4. 3. 1 find
4. 3. 2 findMin和findMax
4. 3. 3 insert
4. 3. 4 remove
4. 3. 5 平均情形分析
4. 4 AVL树
4. 4. 1 单旋转
4. 4. 2 双旋转
4. 5 伸展树
4. 5. 1 一个简单的想法(不能直接使用)
4. 5. 2 展开
4. 6 树的遍历
4. 7 B树
小结
练习
参考文献
第5章 散列
5. 1 一般想法
5. 2 散列函数
5. 3 分离链接法
5. 4 开放定址法
5. 4. 1 线性探测法
5. 4. 2 平方探测法
5. 4. 3 双散列法
5. 5 再散列
5. 6 可扩散列
小结
练习
参考文献
第6章 优先队列(堆)
6. 1 模型
6. 2 一些简单的实现
6. 3 二叉堆
6. 3. 1 结构性质
6. 3. 2 堆序性质
6. 3. 3 基本的堆操作
6. 3. 4 其他的堆操作
6. 4 优先队列的应用
6. 4. 1 选择问题
6. 4. 2 事件模拟
6. 5 d-堆
6. 6 左式堆
6. 6. 1 左式堆性质
6. 6. 2 左式堆操作
6. 7 斜堆
6. 8 二项队列
6. 8. 1 二项队列结构
6. 8. 2 二项队列操作
6. 8. 3 二项队列实现
小结
练习
参考文献
第7章 排序
7. 1 预备知识
7. 2 插入排序
7. 2. 1 算法
7. 2. 2 插入排序的分析
7. 3 一些简单排序算法的下界
7. 4 希尔排序
7. 5 堆排序
7. 6 归并排序
7. 7 快速排序
7. 7. 1 选取枢纽元
7. 7. 2 分割策略
7. 7. 3 小数组
7. 7. 4 实际的快速排序例程
7. 7. 5 快速排序的分析
7. 7. 6 选择问题的线性期望时间算法
7. 8 排序算法的一般下界
7. 9 桶式排序
7. 10 外部排序
7. 10. 1 为什么需要新算法
7. 10. 2 外部排序模型
7. 10. 3 简单算法
7. 10. 4 多路合并
7. 10. 5 多相合并
7. 10. 6 替换选择
小结
练习
参考文献
第8章 不相交集ADT
8. 1 等价关系
8. 2 动态等价性问题
8. 3 基本数据结构
8. 4 灵巧求并算法
8. 5 路径压缩
8. 6 按秩求并和路径压缩的最坏情形
8. 7 一个应用
小结
练习
参考文献
第9章 图论算法
9. 1 若干定义
9. 2 拓扑排序
9. 3 最短路径算法
9. 3. 1 无权最短路径
9. 3. 2 Dijkstra算法
9. 3. 3 具有负边值的图
9. 3. 4 无圈图
9. 3. 5 所有顶点对最短路径
9. 4 网络流问题
9. 5 最小生成树
9. 5. 1 Prim算法
9. 5. 2 Kruskal算法
9. 6 深度优先搜索的应用
9. 6. 1 无向图
9. 6. 2 双连通性
9. 6. 3 欧拉回路
9. 6. 4 有向图
9. 6. 5 查找强分支
9. 7 NP完全性介绍
9. 7. 1 难与易
9. 7. 2 NP类
9. 7. 3 NP完全问题
小结
练习
参考文献
第10章 算法设计技巧
10. 1 贪婪算法
10. 1. 1 一个简单的调度问题
10. 1. 2 哈夫曼编码
10. 1. 3 近似装箱问题
10. 2 分治算法
10. 2. 1 分治算法的运行时间
10. 2. 2 最近点问题
10. 2. 3 选择问题
10. 2. 4 一些算术问题的理论改进
10. 3 动态规划
10. 3. 1 用表代替递归
10. 3. 2 矩阵乘法的顺序安排
10. 3. 3 最优二叉查找树
10. 3. 4 所有点对最短路径
10. 4 随机化算法
10. 4. 1 随机数发生器
10. 4. 2 跳跃表
10. 4. 3 素性测试
10. 5 回溯算法
10. 5. 1 收费公路重建问题
10. 5. 2 博弈
小结
练习
参考文献
第11章 摊还分析
11. 1 一个无关的智力问题
11. 2 二项队列
11. 3 斜堆
11. 4 斐波那契堆
11. 4. 1 切除左式堆中的节点
11. 4. 2 二项队列的懒惰合并
11. 4. 3 斐波那契堆操作
11. 4. 4 时间界的证明
11. 5 伸展树
小结
练习
参考文献
第12章 高级数据结构及其实现
12. 1 自顶向下伸展树
12. 2 红黑树
12. 2. 1 自底向上插入
12. 2. 2 自顶向下红黑树
12. 2. 3 自顶向下删除
12. 3 确定性跳跃表
12. 4 AA树
12. 5 treap树
12. 6 k-d树
12. 7 配对堆
小结
练习
参考文献
附录A 一些库例程
附录B Co11ectioas类库
索引

数据结构和算法分析的重要性不仅体现在理论研究和计算机软件的设计之中, 而且它和我们的日常生活及广泛的社会实践密切相关. 应该说, 只满足于设计实现自己意愿的程序而忽略其效率的做法是非常不可取的. 人们常常发现, 随着实践规模的扩大. 科技水平的提高, 计算机处理的数据量剧增, 原本只需要几分钟或几小时就能算出结果的程序却变得成倍地耗费机时, 甚至慢到令人无法容忍的地步. 于是不得不回过头来重新考虑大量数据的组织和算法运行时间的评估, 这实际上就是重新进行本应在设计程序之初考虑的数据结构和算法分析的工作. 它说明, 提高程序设计技巧和算法分析能力, 培养时刻注意数据结构和算法效率的良好习惯, 是开发具有高效程序的关键. 可以看出, 数据结构和算法分析是程序设计的重要理论基础, 是计算机科学领域的核心内容之一. 本书为Mark AllenWeiss教授所著《数据结构与算法分析——C语言描述》的Java语言版. 众所周知, Java语言在因特网上既畅通无阻又安全可靠, 已经成为网络时代最重要的语言之一, 它彻底改变了应用软件的开发模式. 显而易见, 使用这样一种语言解释数据结构和实现算法势在必行. 此外, 本书还将Java语言的基础部分和与数据结构相关的部分概要地以附录的形式列于书末, 虽然简单, 但却对各种Java水平的读者都具有参考价值. 从内容上看, 本书基本上与C语言版相同, 不过, 读者可以发现一些细节. 实例和练习还是颇有新意的. 该书的翻译工作有幸得到姜炳坤. 陶惠民. 张秋华. 党文运和刘玉珍诸位教授. 专家的真诚关怀和热心帮助, 译者表示衷心的感谢. 希望本书像其广为流传的原著一样, 能够得到我国广大读者的关爱, 对它的任何批评和指正都是译者热切期盼并衷心感谢的. 译者

MarkAllen Weiss 佛罗里达国际大学计算机学院教授, 普林斯顿大学计算机科学博士. 除本书外, 他编写的关于数据结构与算法方面的著名教材还有：《数据结构与算法分析——C语言描述》(Data Structures and Algorithm Analysis in C, 该书中文版已由机械工业出版社引进出版)以及《Data Structures and Problam Solving：Using Java》. 《Data Structures and Problem Solving：Using C++》等. 他目前是Advanced Placement Computer Science DevelopmentCommittee主席.

本书讨论数据结构和算法分析. 数据结构主要研究组织大量数据的方法, 而算法分析是对算法运行时间的估计. 随着计算机的速度越来越快, 对于能够处理大量输入数据的程序的需求变得日益急切. 可是, 由于在输入量很大的时候程序的低效率现象变得非常明显, 因此这又要求对效率问题给予更仔细的关注. 通过在实际编程之前对算法的分析, 学生可以确定一个特定的解法是否可行. 例如, 在本书中学生可查阅一些特定的问题并看到精心的实现方法是如何把处理大量数据的时间限制从16年减至不到1秒的. 因此, 若无运行时间的阐释, 就 不会有算法和数据结构的提出. 在某些情况下, 对于影响实现的运行时间的一些微小细节都需要认真地探究. 一旦确定了解法, 接着就要编写程序. 随着计算机功能的日益强大, 它们必须解决的问题也变得更加巨大和复杂, 这就要求开发更加复杂的程序. 本书的目的是同时教授学生良好的程序设计技巧和算法分析能力, 使得他们能够开发具有最高效率的程序. 本书适合作为高级数据结构(CS7)课程或是第一年研究生算法分析课程的教材. 学生应该具有中等程度的程序设计知识, 包括面向对象程序设计和递归这样一些内容, 还要具有离散数学的某些知识. 处理方法 虽然本书中的内容大部分都是与语言无关的, 但是, 程序设计还是需要使用某种特定的语言. 正如书名指出的, 我们为本书选择了Java. Java是相对较新的语言, 常常用来和C++进行比较. Java具有许多优点, 编程人员常常把Java看成是一种比C++更加安全. 更加方便并且更容易使用的语言. 因此, 这使得它成为讨论和实现基础数据结构的一种优秀的核心语言. Java的其他方面, 诸如线程和GUI(图形用户界面), 虽然很重要, 但是本书并不需要, 因此也就不再讨论. 和每一种程序设计语言一样, Java也有一些缺点. 它不直接支持一般的程序设计, 因此需要一些变通方法, 我们将在第1章讨论. Java对I／O的支持是很有限的, 不过现在在Internet上有许多现成的I／O类, 因此这也就不成问题了. 在任何情况下, 本书中的例子都最小限度地使用Java的I／O工具. Java的优点是简化了C++的(有时是混乱的)语法, 这也是一种趋势. 最终用C++编码的程序员将会发现直接将Java代码转换成C++代码所暗藏的一些陷阱. 为了摆脱这个问题, 本书的配套网站包含有一章来描述C+十并阐述C++的许多精妙之处, 这对于许多读者来说并不是显而易见的. 以Java和C++二者描述的数据结构的完全版可以在因特网上得到. 我们使用类似的编码方法使得这两种语言间平行的结构表现得更加明显. 内容提要 第1章包含离散数学和递归的一些复习材料. 我相信掌握递归的惟一办法是反复不断地看一些好的用法. 因此, 除第5章外, 递归遍及本书每一章的例子之中. 第1章还介绍了一些材料, 作为对基本Java的复习和回顾, 包括对一般算法和数据结构所需的Java变通方法的讨论. 第2章讨论算法分析. 这一章阐述渐近分析和它的主要弱点. 这里提供了许多例子, 包括对对数运行时间的深入解释. 通过直观地把一些简单递归程序转变成迭代程序而对它们进行分析. 此外, 还介绍了更复杂的分治程序, 不过有些分析(求解递归关系)要推迟到第7章再详细地进行. 第3章包括表. 栈和队列. 重点放在使用ADT对这些数据结构编程. 这些数据结构的快速实现以及介绍它们的某些用途上. 书中几乎没有完整的程序, 但程序设计的许多思想体现在练习之中. 第4章讨论树, 重点在查找树, 包括外部查找树(B树). UNIX文件系统和表达式树是作为例子来介绍的. 本章还介绍了AVL树和伸展树. 查找树的详细实现细节见第12章. 树的另外一些内容, 如文件压缩和博弈树, 延迟到第10章讨论. 外部介质上的数据结构作为几章中的最后论题来考虑. 第5章是相对较短的一章, 主要讨论散列表. 这里进行了某些分析, 本章末尾讨论了可扩散列. 第6章是关于优先队列的. 二叉堆也在这里讲授, 还有些附加的材料论述优先队列某些理论上有趣的实现方法. 斐波那契堆在第11章讨论, 配对堆在第12章讨论. 第7章讨论排序. 本章特别关注编程细节和分析, 讨论并比较了所有通用的排序算法. 对以下四种算法详细地进行了分析：插入排序. 希尔排序. 堆排序以及快速排序. 本章末尾讨论了外部排序. 第8章讨论不相交集算法并证明其运行时间. 这是简短且特殊的一章, 如果不讨论Kruskal算法则该章可跳过. 第9章讲授图论算法. 图论算法的重要性不仅因为它们在实践中经常用到, 而且还因为它们的运行时间强烈地依赖于数据结构的恰当使用. 实际上, 所有标准算法都是和相应的数据结构. 伪代码以及运行时间的分析一起介绍的. 为把这些问题放进一本适当的教材中, 我们对复杂性理论(包括NP完全性和不可判定性)进行了简短的讨论. 第10章通过考察一般的问题求解技巧讨论算法设计. 这一章添加了大量的实例. 本章及后面各章使用的伪代码可使得学生更好地理解例子, 而避免被实现的细节所困扰. 第11章讨论摊还分析. 对来自第4章和第6章的三种数据结构以及本章介绍的斐波那契堆进行了分析. 第12章讨论查找树算法. k-d树和配对堆. 不同于其他各章, 本章给出了查找树和配对堆完整的仔细的实现. 材料的安排使得教师可以把一些内容纳入到其他各章的讨论之中. 例如, 第12章中的自顶向下红黑树可以和(第4章的)AVL树一起讨论. 附录A列出了一些常用的Java类. 附录B讨论Java的Collections包, 这个标准的包(从Java1. 2起)包括了本书中讨论的几种数据结构的实现. 第1章到第9章为大多数一学期的数据结构课程提供了足够的材料. 如果时间允许, 那么第10章也可以包括进来. 研究生的算法分析课程可以使用第7章到第11章的内容. 第11章所分析的高级数据结构可以容易地在前面各章中查到. 第9章中对NP完全性的讨论对这门课来说太过简单, Garey和Johnson的论NP完全性的书(有张立昂等翻译的中文译本《计算机和难解性》, 科学出版社, 1987——译者注)可以补充本书的不足. 练习 每章末尾提供的练习与书中讲授的内容的顺序相匹配. 最后的一些练习是针对整个一章而不是针对特定的某一节来考虑的. 较难的练习标以一个星号, 更难的练习标有两个星号. 参考文献 参考文献位于每章的最后. 一般说来, 这些参考文献或者是历史性质的, 代表着书中材料的原始来源, 或者阐述对书中给出的结果的扩展和改进. 有些文献提供了一些练习的解法. 代码的获得 书中例子的程序代码可通过匿名ftp在aw. com网站得到. 这个网站也可以通过万维网来访问, 其URL为http：//www. awl. com／cseng／(从此处继续链接). 该资料的准确位置可能变化. 鸣谢 在本丛书几部著作的准备过程中, 作者得到许多朋友的帮助. 有些人在本书的其他版本中提到过, 谢谢所有诸位. 如同往常一样, Addison-Wesley出版公司专家们的努力使得本书的写作过程更加轻松. 借此机会感谢编辑Susan Hartman, 副编辑Katherine Harutunian以及生产编辑Pat Unubun. 我还要感谢Kris Engberg和她在Publication Services的同事, 感谢她们出色地完成了本书最后的定稿任务. 我还想感谢本书的诸多审核者, 他们提供了有价值的评论, 其中许多已经纳入到本书之中. 对于这一版, 他们是：Chris Brown(罗切斯特大学), ThangN. Bui(宾夕法尼亚州立大学), G. H. Hedrick(俄克拉荷马州立大学), Sampath Kannan(宾夕法尼亚大学)以及GurdipSingh(堪萨斯州立大学). 最后, 感谢广大的读者, 他们发来电子邮件指出前面各版中的一些错误和矛盾之处. 我的万维网页http：／／www. cs. fiu. edu／～weiss包含更新的(Java. C以及C++的)源代码. 勘误表以及用于提交问题报告的一个链接. Mark Allen Weiss