前言

數據結構和算法是計算機科學的基石，是計算機的靈魂，要想成為計算機專業人員，學習和掌握算法是十分必要的。不懂數據結構和算法的人不可能寫出效率更高的代碼。計算機科學的很多新行業都離不開數據結構和算法作為基石，比如大數據、人工智能等。底層開發中也需要使用非常多的數據結構和算法知識，以保證底層系統的穩定性和高效性。

計算機科學家尼古拉斯·沃斯在計算機領域有一句人盡皆知的名言“算法+數據結構=程序”（Algorithms+Data Structures=Programs），所以數據結構和算法是程序員必須掌握的技能。尤其是到一些大公司面試的時候，算法更是一個少不了的環節，熟練掌握數據結構和算法，可以開拓我們的視野，提高我們的邏輯思維能力，在寫代碼和分析官方源碼的時候也非常有幫助。學習數據結構和算法的一個好處就是：學完之后知識基本不會過時，可以永遠為我們所用。大家都知道程序員需要不停地學習，因為知識更新太快，記得在筆者上大學和后來開始工作的時候，非常喜歡研究官方源碼和框架，如癡如醉，但很遺憾，現在很多框架都已被淘汰了，沒被淘汰的也被更新得面目全非，然后還要不停地學習其他新的框架。筆者一直在思考，能不能學習一種永不過時的知識。后來就接觸了數據結構和算法，這一接觸就是好多年，學的那么多知識依然沒有過時。比如KMP算法是在1977年被聯合發表的，那么多年過去了，這種算法依然沒有被淘汰，如果是一個框架，基本上很難保證那么多年還能存在，就算存在也會有大量的更新，還是需要不停地學習。

本書以Java為描述語言，介紹了計算機編程中常用的數據結構和算法，主要內容如下。

第1章：主要介紹了8種數據結構，包括數組、鏈表、隊列、棧、散列表、樹、堆、圖，然后每種數據結構又有細分，比如介紹樹的時候有完全二叉樹、滿二叉樹、二叉搜索樹、AVL樹、紅黑樹、字典樹、哈夫曼樹、線段樹、笛卡兒樹等。圖的介紹中也有一些經典的算法，比如迪杰斯特拉算法、弗洛伊德算法、普里姆算法和克魯斯卡爾算法等。

第2章：介紹了幾種經典排序算法，以及它們的穩定性分析。

第3章：主要介紹了一些位運算和常見操作符，還有一些簡單的操作和使用技巧，如有限狀態機和相關示例講解。

第4章：介紹了和樹有關的知識，比如樹的遍歷方式，包括DFS遍歷、Morris遍歷，以及BFS遍歷等。

第5章：分析了遞歸的原理和示例練習，可以把它看作是對一棵樹的DFS遍歷。

第6章：主要介紹了回溯算法的使用，然后得出回溯算法的使用模板，以及一些經典示例，還有一些重復問題和不符合條件的修剪分支。

第7章：主要介紹貪心算法的使用和存在的不足。

第8章：分別介紹了相向雙指針、同向雙指針和快慢雙指針的使用技巧，還有滑動窗口的介紹和使用模板，以及大小可變窗口、固定窗口、只增不減窗口等。

第9章：主要介紹了BFS和DFS的使用模板和示例練習。

第10章：主要介紹了一維前綴和與二維前綴和的使用。

第11章：介紹動態規劃和一些經典問題的講解，如背包問題、組合與排列問題等。

第12章：通過三國人物的故事，生動形象地介紹了并查集的使用、并查集優化、并查集路徑壓縮以及合并優化等。

第13章：介紹了其他一些經典算法，比如KMP算法、馬拉車算法、算術表達式的運算、牛頓迭代法求平方根、Base64編碼等。

本書的撰寫與出版得益于機械工業出版社的鼎力支持，在此深表感謝，同時也感謝支持筆者的讀者和朋友，還要感謝筆者的愛人楊蘭一直以來的理解和支持。由于筆者水平有限，書中難免有不妥和疏漏之處，誠摯期盼讀者朋友給予批評和斧正，筆者會把問題整理出來分享到我們的算法學習網站“wansuanfa.com”（“玩算法”的拼音），關于算法的知識非常多，書中不可能全部介紹，大家還可以繼續在網站免費學習，本書的提高和改進離不開讀者的幫助和時間的考驗。大家也可以關注筆者，如果書中有不明白的地方可以隨時溝通，如果有想了解的知識點也可以告訴筆者，筆者會通過視頻直播和錄播的方式為大家進行講解。

王一博

2023年5月