Lập trình Java cơ bản

1. Lập trình Java cơ bản Cao Đức Thông - Trần Minh Tuấn cdthong@ifi.edu.vn, tmtuan@ifi.edu.vn

2. Bài 8. Collections • Cấu trúc dữ liệu trong Java • Linked List • Stack và Queue • Tree • Collections Framework • Danh sách (List) • Tập hợp (Set) • Bảng ánh xạ (Map) • Bài tập

3. Cấu trúc dữ liệu • Cấu trúc dữ liệu là cách tổ chức dữ liệu để giải quyết vấn đề. • Một số cấu trúc dữ liệu phổ biến: • Mảng (Array) • Danh sách liên kết (Linked List) • Ngăn xếp (Stack) • Hàng đợi (Queue) • Cây (Tree)

4. Linked List • Linked list là cấu trúc gồm các node liên kết với nhau thông qua các mối liên kết. Node cuối linked list được đặt là null để đánh dấu kết thúc danh sách. • Linked list giúp tiết kiệm bộ nhớ so với mảng trong các bài toán xử lý danh sách. • Khi chèn/xoá một node trên linked list, không phải dãn/dồn các phần tử như trên mảng. • Việc truy nhập trên linked list luôn phải tuần tự.

5. Linked List • Thể hiện Node thông qua lớp tự tham chiếu (self-referential class) class Node {private int data;private Node nextNode;// constructors and methods ... }

6. Linked List • Một linked list được quản lý bởi tham chiếu tới node đầu và node cuối.

7. Cài đặt Linked List // Dinh nghia mot node trong linked list class ListNode { int data; ListNode nextNode; ListNode(int value) { this(value, null); } ListNode(int value, ListNode node) { data = value; nextNode = node; } int getData() { return data; } ListNode getNext() { return nextNode; } }

8. Cài đặt Linked List // Dinh nghia lop LinkedList public class LinkedList { private ListNode firstNode; private ListNode lastNode; public LinkedList() { firstNode = lastNode = null; } public void insertAtFront(int insertItem) { if ( isEmpty() ) firstNode = lastNode = new ListNode( insertItem ); else firstNode = new ListNode( insertItem, firstNode ); }

9. Cài đặt Linked List public void insertAtBack( int insertItem ) { if ( isEmpty() ) firstNode = lastNode = new ListNode( insertItem ); else lastNode = lastNode.nextNode = new ListNode( insertItem ); } public int removeFromFront() { int removeItem = -1; if ( ! isEmpty() ) { removeItem = firstNode.data; if ( firstNode == lastNode ) firstNode = lastNode = null; else firstNode = firstNode.nextNode; } return removeItem; }

10. Cài đặt Linked List public int removeFromBack() { int removeItem = -1; if ( ! isEmpty() ) { removeItem = lastNode.data; if ( firstNode == lastNode ) firstNode = lastNode = null; else { ListNode current = firstNode; while ( current.nextNode != lastNode ) current = current.nextNode; lastNode = current; current.nextNode = null; } } return removeItem; }

11. Cài đặt Linked List public boolean isEmpty() { return (firstNode == null); } public void print() { ListNode node = firstNode; while (node != null) { System.out.print(node.data + " "); node = node.nextNode; } System.out.println("\n"); } }

12. Mô tả insertAtFront

13. Mô tả insertAtBack

14. Mô tả removeFromFront

15. Mô tả removeFromBack

16. Sử dụng Linked List public class ListTest { public static void main( String args[] ) { LinkedList list = new LinkedList(); list.insertAtFront( 5 ); list.insertAtFront( 7 ); list.insertAtBack( 9 ); list.insertAtBack( 8 ); list.insertAtBack( 4 ); list.print(); list.removeFromFront(); list.removeFromBack(); list.print(); } }

17. Stack • Stack là một cấu trúc theo kiểu LIFO (Last In First Out), phần tử vào sau cùng sẽ được lấy ra trước. • Hai thao tác cơ bản trên Stack • Chèn phần tử: Luôn chèn vào đỉnh Stack (push) • Lấy ra phần tử: Luôn lấy ra từ đỉnh Stack (pop)

18. Cài đặt Stack public class Stack { private LinkedList stackList; public Stack() { stackList = new LinkedList(); } public void push( int value ) { stackList.insertAtFront( value ); } public int pop() { return stackList.removeFromFront(); } public boolean isEmpty() { return stackList.isEmpty(); } public void print() { stackList.print(); } }

19. Sử dụng Stack public class StackTest { public static void main(String[] args) { Stack stack = new Stack(); stack.push(5); stack.push(7); stack.push(4); stack.push(8); stack.print(); stack.pop(); stack.pop(); stack.print(); } }

20. Queue • Queue (Hàng đợi) là cấu trúc theo kiểu FIFO (First In First Out), phần tử vào trước sẽ được lấy ra trước. • Hai thao tác cơ bản trên hàng đợi • Chèn phần tử: Luôn chèn vào cuối hàng đợi (enqueue) • Lấy ra phần tử: Lấy ra từ đầu hàng đợi (dequeue)

21. Cài đặt Queue public class Queue { private LinkedList queueList; public Queue() { queueList = new LinkedList(); } public void enqueue( int value ) { queueList.insertAtBack( value ); } public int dequeue() { return queueList.removeFromFront(); } public boolean isEmpty() { return queueList.isEmpty(); } public void print() { queueList.print(); } }

22. Sử dụng Queue public class QueueTest { public static void main(String[] args) { Queue queue = new Queue(); queue.enqueue(5); queue.enqueue(7); queue.enqueue(4); queue.enqueue(8); queue.print(); queue.dequeue(); queue.dequeue(); queue.print(); } }

23. Tree Nút gốc Nút trong Nút lá • Tree là một cấu trúc phi tuyến (non-linear). • Mỗi node trên cây có thể có nhiều liên kết tới node khác.

24. Binary Search Tree • Cây nhị phân là cây mà mỗi node không có quá 2 node con. • Cây tìm kiếm nhị phân là cây nhị phân mà: • Giá trị các nút thuộc cây con bên trái nhỏ hơn giá trị của nút cha. • Giá trị các nút thuộc cây con bên phải lớn hơn giá trị của nút cha. • Duyệt cây nhị phân • Inorder traversal • Preorder traversal • Postorder traversal

25. Binary Search Tree • Ví dụ về Binary Search Tree Cây con trái Cây con phải

26. Cài đặt Binary Search Tree public class TreeNode { int data; TreeNode leftNode, rightNode; public TreeNode( int nodeData ) { data = nodeData; leftNode = rightNode = null; } public void insert( int value ) { if ( value < data ) { if (leftNode == null) leftNode = new TreeNode(value); else leftNode.insert( value ); } else if ( value > data ) { if ( rightNode == null ) rightNode = new TreeNode(value); else rightNode.insert( value ); } } }

27. Cài đặt Binary Search Tree public class Tree { private TreeNode root; public Tree() { root = null; } public void insertNode( int insertValue ) { if ( root == null ) root = new TreeNode( insertValue ); else root.insert( insertValue ); } public void preorderTraversal() { preorder( root ); }

28. Cài đặt Binary Search Tree public void inorderTraversal() { inorder( root ); } public void postorderTraversal() { postorder( root ); } private void preorder( TreeNode node ) { if ( node == null ) return; System.out.print( node.data + " " ); preorder( node.leftNode ); preorder( node.rightNode ); }

29. Cài đặt Binary Search Tree private void inorder( TreeNode node ) { if ( node == null ) return; inorder( node.leftNode ); System.out.print( node.data + " " ); inorder( node.rightNode ); } private void postorder( TreeNode node ) { if ( node == null ) return; postorder( node.leftNode ); postorder( node.rightNode ); System.out.print( node.data + " " ); } }

30. Sử dụng Binary Search Tree public class TreeTest { public static void main( String[] args ) { Tree tree = new Tree(); int value; for ( int i = 1; i <= 10; i++ ) { value = ( int ) ( Math.random() * 100 ); tree.insertNode( value ); } System.out.println ( "\n\nPreorder traversal" ); tree.preorderTraversal(); System.out.println ( "\n\nInorder traversal" ); tree.inorderTraversal(); System.out.println ( "\n\nPostorder traversal" ); tree.postorderTraversal(); } }

31. Bài tập tại lớp • Bài 1: Dùng Stack để viết chương trình in ra dạng nhị phân của một số nguyên dương cho trước. • Bài 2: Cài đặt phương thức search trong lớp Tree để tìm một phần tử có giá trị cho trước.

32. Collection • Collection là đối tượng có khả năng chứa các đối tượng khác. • Các thao tác thông thường trên collection • Thêm/Xoá đối tượng vào/khỏi collection • Kiểm tra một đối tượng có ở trong collection không • Lấy một đối tượng từ collection • Duyệt các đối tượng trong collection • Xoá toàn bộ collection

33. Collections Framework • Các collection đầu tiên của Java: • Mảng • Vector: Mảng động • Hastable: Bảng băm • Collections Framework (từ Java 1.2) • Là một kiến trúc hợp nhất để biểu diễn và thao tác trên các collection. • Giúp cho việc xử lý các collection độc lập với biểu diễn chi tiết bên trong của chúng.

34. Collections Framework • Một số lợi ích của Collections Framework • Giảm thời gian lập trình • Tăng cường hiệu năng chương trình • Dễ mở rộng các collection mới • Khuyến khích việc sử dụng lại mã chương trình

35. Collections Framework • Collections Framework bao gồm • Interfaces: Là các giao tiếp thể hiện tính chất của các kiểu collection khác nhau như List, Set, Map. • Implementations: Là các lớp collection có sẵn được cài đặt các collection interfaces. • Algorithms: Là các phương thức tĩnh để xử lý trên collection, ví dụ: sắp xếp danh sách, tìm phần tử lớn nhất...

36. Interfaces <<interface>> Collection <<interface>> Map <<interface>> Set <<interface>> List <<interface>> SortedMap <<interface>> SortedSet

37. Giao tiếp Collection • Cung cấp các thao tác chính trên collection như thêm/xoá/tìm phần tử... Ví dụ: • boolean add(Object element); • boolean remove(Object element); • boolean contains(Object element); • int size(); • boolean isEmpty(); • Nếu lớp cài đặt Collection không muốn hỗ trợ các thao tác làm thay đổi collection như add, remove, clear... nó có thể tung ra ngoại lệ UnsupportedOperationException.

38. Giao tiếp List • List kế thừa từ Collection, nó cung cấp thêm các phương thức để xử lý collection kiểu danh sách (Danh sách là một collection với các phần tử được xếp theo chỉ số). • Một số phương thức của List • Object get(int index); • Object set(int index, Object o); • void add(int index, Object o); • Object remove(int index); • int indexOf(Object o); • int lastIndexOf(Object o);

39. Giao tiếp Set • Set kế thừa từ Collection, hỗ trợ các thao tác xử lý trên collection kiểu tập hợp (Một tập hợp yêu cầu các phần tử phải không được trùng lặp). • Set không có thêm phương thức riêng ngoài các phương thức kế thừa từ Collection.

40. Giao tiếp SortedSet • SortedSet kế thừa từ Set, nó hỗ trợ thao tác trên tập hợp các phần tử có thể so sánh được. Các đối tượng đưa vào trong một SortedSet phải cài đặt giao tiếp Comparable hoặc lớp cài đặt SortedSet phải nhận một Comparator trên kiểu của đối tượng đó. • Một số phương thức của SortedSet: • Object first(); // lấy phần tử đầu tiên (nhỏ nhất) • Object last(); // lấy phần tử cuối cùng (lớn nhất) • SortedSet subSet(Object e1, Object e2); // lấy một tập các phần tử nằm trong khoảng từ e1 tới e2.

41. Duyệt collection • Các phần tử trong collection có thể được duyệt thông qua Iterator. • Các lớp cài đặt Collection cung cấp phương thức trả về iterator trên các phần tử của chúng. Collection c; Iterator it = c.iterator(); ...

42. Duyệt collection • Iterator cho phép duyệt tuần tự một collection. • Các phương thức của Iterator: • boolean hasNext(); • Object next(); • void remove(); • Ví dụ: Iterator it = c.iterator(); while ( it.hasNext() ) { Point p = (Point) it.next(); System.out.println( p.toString() ); }

43. Giao tiếp Map • Giao tiếp Map cung cấp các thao tác xử lý trên các bảng ánh xạ (Bảng ánh xạ lưu các phần tử theo khoá và không được có 2 khoá trùng nhau). • Một số phương thức của Map • Object put(Object key, Object value); • Object get(Object key); • Object remove(Object key); • boolean containsKey(Object key); • boolean containsValue(Object value); • ...

44. Giao tiếp Map • Map cung cấp 3 cách view dữ liệu: • View các khoá: Set keySet(); // Trả về các khoá • View các giá trị: Collection values(); // Trả về các giá trị • View các cặp khoá-giá trị Set entrySet(); // Trả về các cặp khoá-giá trị • Sau khi nhận được kết quả là một collection, ta có thể dùng iterator để duyệt các phần tử của nó.

45. Giao tiếp SortedMap • Giao tiếp SortedMap kế thừa từ Map, nó cung cấp thao tác trên các bảng ánh xạ với khoá có thể so sánh được. • Giống như SortedSet, các đối tượng khoá đưa vào trong SortedMap phải cài đặt giao tiếp Comparable hoặc lớp cài đặt SortedMap phải nhận một Comparator trên đối tượng khoá.

46. Implementations • Các cài đặt trong Collections Framework chính là các lớp collection có sẵn trong Java. Chúng cài đặt các collection interfaceở trên để thể hiện các cấu trúc dữ liệu cụ thể. Ví dụ: mảng động, danh sách liên kết, cây đỏ đen, bảng băm...

47. Implementations LinkedList List ArrayList HashSet LinkedHashSet Set SortedSet TreeSet HashMap Map LinkedHashMap SortedMap TreeMap

48. Mô tả các cài đặt • ArrayList: Mảng động, nếu các phần tử thêm vào vượt quá kích cỡ mảng, mảng sẽ tự động tăng kích cỡ. • LinkedList: Danh sách liên kết 2 chiều. Hỗ trợ thao tác trên đầu và cuối danh sách. • HashSet: Bảng băm. • LinkedHashSet: Bảng băm kết hợp với linked list nhằm đảm bảo thứ tự các phần tử. • TreeSet: Cây đỏ đen (red-black tree).

49. Mô tả các cài đặt • HashMap: Bảng băm (cài đặt của Map). • LinkedHashMap: Bảng băm kết hợp với linked list nhằm đảm bảo thứ tự các phần tử (cài đặt của Map). • TreeMap: Cây đỏ đen (cài đặt của Map).

50. Ví dụ 1: TreeSet // This program sorts a set of names import java.util.*; public class TreeSetTest1 { public static void main(String[] args) { SortedSet names = newTreeSet(); names.add(newString("Minh Tuan")); names.add(newString("Hai Nam")); names.add(newString("Anh Ngoc")); names.add(newString("Trung Kien")); names.add(newString("Quynh Chi")); names.add(newString("Thu Hang")); System.out.println(names); } }