单向环形链表及约瑟夫问题的java实现

时光毁灭记忆、已成空白 提交于 2020-01-21 03:18:59

约瑟夫问题(Josephu问题)也称为“丢手帕问题”。

问题描述:设编号为1、2、3、4......的n个小朋友围成一圈,约定编号为 k 的小朋友从 1 开始报数,轮流数到 m 的小朋友出列。接着出列小朋友的下一位又从1开始报数,轮流数到 m 的小朋友出列,以此类推,直到所有小朋友都出列为止,由此产生一个出列编号的序列。

n = 5 表示有 5 个小朋友 ; k = 1 表示从第 1 个小朋友开始报数 ; m = 2 表示每次数 2 下。

本问题由于需要不断地删除节点,同时循环报数,因而用到单向环形链表。

首先创建一个节点类Boy :

class Boy{
	private int no ;   //小孩的编号
	private Boy next ; //指向下一个节点,默认为null
	
	public Boy(int no){
		this.no = no ; 
	}
	public int getNo() {
		return no;
	}
	public void setNo(int no) {
		this.no = no;
	}
	public Boy getNext() {
		return next;
	}
	public void setNext(Boy next) {
		this.next = next;
	}
	/*
	 * 之所以要设置这几个构造方法,是因为Boy的几个基本属性都是private类型
	 */
}

注意:之所以设置那么多set 与 get 方法,是因为Boy这个节点类的几个基本属性都是private类型。这是获取一个类private属性的惯用方法。 

节点类Boy设置好了,接下来要构建环形链表:

思路:

1、单向环形链表的基本操作往往需要用到三个指针:first指针、curBoy指针、boy指针;

其中:first 指针始终指向第一个节点(可以是头节点,也可以是首节点),不能动;  boy指针指向将要加入环中的新节点  ;curBoy指针负责将新加入的节点连入环形链表中

2、构建过程:

(1)先用first指针创建第一个节点(在此处为头节点),并形成环形;

(2)后面每用boy指针创建一个新节点,就用curBoy指针把该节点加入到已有的环形链表中即可。

//创建一个环形的单向链表
class CircleSingleLinkedList{
	//先创建一个first节点,当前没有编号;(head)
	private Boy first = new Boy(-1);
	//添加小孩节点,构建环形链表
	public void addBoy(int nums){//nums表示一次加入nums个孩子
		//既然是“xx个”,对nums必须进行数据校验(基本细节)
		if(nums < 1 ){
			System.out.println("数据不合法");
			return ;
		}
		Boy curBoy = null ; //curBoy作为辅助指针,用来帮助构建环形链表
		
		//使用for循环构建环形链表;
		for(int i = 1 ; i <= nums ; i ++){
			//根据编号,创建小孩节点
			Boy boy = new Boy(i) ; 
			//第一个小孩情况特殊,所以要特殊考虑
			if(i == 1){
				first = boy ; 
				first.setNext(boy); // 注意表述
				curBoy = first ; 
			} else {
				//环形单链表的常规动作
				curBoy.setNext(boy);
				boy.setNext(first);
				curBoy = boy ;
			}
		}
	}
}

注意: 当链表中插入第一个节点时,和其他操作是不同的,需要区别讨论。

3、遍历链表:

(1)、先让辅助指针curBoy指向first节点;

(2)、然后通过while循环遍历该环形链表即可。

	//遍历当前环形链表
	public void showBoy(){
		//判断链表是否为空
		if(first == null) {
			System.out.println("链表为空!");
			return;
		}
		//因为first不能动,因此我们仍然使用一个辅助指针完成遍历
		Boy curBoy = first ; 
		while(true){
			System.out.printf("小孩的编号%d \n" , curBoy.getNo());
			if(curBoy.getNext() == first){
				//说明已经遍历完毕
				break;
			}
			curBoy = curBoy.getNext() ; 
		}
	}

遍历完成的标志是:curBoy.getNext( ) == first ; 因为最后一个节点的next指针指向第一个节点(或头节点)。

 

数据结构构建好了,现在开始具体解决约瑟夫问题:

根据用户的输入,生成一个小孩出圈的顺序:

1、需要创建一个辅助指针helper,事先应该指向环形链表的最后一个节点;(由于最后一个节点的next域指向第一个节点,因此让helper先指向最后一个节点,是为了让helper在移动(报数)的过程中始终跟在first指针的身后,以便执行删除节点的操作

补充:小孩报数前,先让first和helper移动k-1次;(因为要从第 k 个小朋友开始报数)

2、当小孩报数时,让first和helper指针同时移动m-1次(总共要数 m 下,但第一下是自己数,后面的m-1下交给其他人数);

3、这时就可以将first指向的小孩节点出圈

first = first.next ;

helper.next = first ;

first刚刚指向的已经出圈的节点,没有任何引用,会被回收。 

具体代码如下:(解析详细)

//根据用户的输入,计算出小孩出圈的顺序(约瑟夫问题)
	/**
	 * 
	 * @param startNo 表示从第几个小孩开始数
	 * @param countNum 表示数了几下
	 * @param nums 表示最初有多少个小孩在圈中
	 */
	public void countBoy(int startNo , int countNum , int nums){
		//先对数据进行校验
		if(first == null || startNo < 1 || startNo > nums ){
			System.out.println("参数输入有误,请重新输入: ");
			return ;
		}
		//创建一个辅助指针,帮助完成小孩出圈
		Boy helper = first ; 
		//需要创建一个辅助指针helper,事先指向环形链表的最后一个节点
		//这是为了在后来的移动中,使helper一直跟在first之后,
		//first指向的节点会出圈
		while(true){
			if(helper.getNext() == first){//说明指向了最后一个孩子
				break;
			}
			helper = helper.getNext() ;
		}
		//小孩报数前,先让first和helper移动 startNo - 1 次
		for(int j = 0 ; j < startNo - 1 ; j ++ ){
			first = first.getNext() ; 
			helper = helper.getNext() ;
		}
		//当小孩报数时,让first和helper指针同时移动m-1次,然后出圈
		//这是一个循环操作,直到圈中只有一个节点
		while(true){
			if(helper == first){
				//说明圈中只有一个节点
				break ;
			}
			//让first 和helper同时移动countNum -1 次,然后出圈一位
			for(int j = 0 ; j < countNum -1 ; j ++){
				first = first.getNext()  ;
				helper = helper.getNext() ;
			}
			//这时候first指向的节点,就是出圈小孩节点
			System.out.printf("小孩%d 出圈\n" , first.getNo());
			//这时将first指向的节点出圈
			first = first.getNext() ;
			helper.setNext(first);
			
		}
		System.out.printf("最后留在圈中的小孩编号为%d \n" , helper.getNo());
	}
	

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