刷算法题必备：Java常用工具类详解

在算法题的“战场”上，Java的各类工具类堪称解题的得力“武器”。很多刷题平台缺少智能补全和提示功能，记住这些工具类及其用法就显得尤为重要。下面就来详细介绍在刷算法题时常用的Java工具类。

一、队列（Queue）相关工具类

（一）普通队列（Queue）

Queue是Java中很常用的接口，ArrayDeque是实现Deque接口的一个类，它既可以当作普通队列（遵循先进先出，即FIFO原则）使用，也能当成双端队列（既可以在队首操作，也能在队尾操作）。

// 创建一个队列，泛型指定为Integer类型
Queue<Integer> queue = new ArrayDeque<>();
// 常用方法如下：
// 1. 元素入队
// add方法用于添加元素到队列尾部，如果队列已满，会抛出`IllegalStateException`异常
queue.add(10); 
// offer方法同样是添加元素到队列尾部，不过队列已满时，它不会抛出异常，而是返回`false`
queue.offer(20); 

// 2. 元素出队
// remove方法移除并返回队列头部的元素，如果队列为空，会抛出`NoSuchElementException`异常
int firstElement = queue.remove(); 
// poll方法也是移除并返回队列头部的元素，但队列为空时，它返回null
Integer firstElementOrNull = queue.poll(); 

// 3. 查看队头元素
// element方法返回队列头部的元素，但不会移除它，如果队列为空，会抛出`NoSuchElementException`异常
int headElement = queue.element(); 
// peek方法返回队列头部的元素，队列为空时返回null
Integer headElementOrNull = queue.peek(); 

// 4. 其他常用方法
// size方法返回队列中的元素数量
int size = queue.size(); 
// isEmpty方法用于检查队列是否为空
boolean isEmpty = queue.isEmpty(); 
// clear方法用于清空队列
queue.clear(); 

// 5. 双端队列操作
// 虽然`ArrayDeque`可以当作普通队列，但它还支持双端队列的操作
// addFirst方法将元素添加到队列头部
queue.addFirst(5); 
// addLast方法将元素添加到队列尾部
queue.addLast(15); 
// removeFirst方法移除并返回队列头部的元素
int first = queue.removeFirst(); 
// removeLast方法移除并返回队列尾部的元素
int last = queue.removeLast(); 
// getFirst方法返回队列头部的元素
int head = queue.getFirst(); 
// getLast方法返回队列尾部的元素
int tail = queue.getLast(); 

（二）优先队列（PriorityQueue）

PriorityQueue是基于优先级堆实现的队列，元素按照优先级顺序出队，默认是最小堆，即最小的元素优先出队。下面是它的使用示例：

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// 匿名实现比较器，用于指定元素的排序规则
public static Comparator<Customer> idComparator = new Comparator<Customer>() {
    @Override
    public int compare(Customer c1, Customer c2) {
        // 这里按ID升序排列
        return c1.getId() - c2.getId(); 
    }
};

// 创建优先队列，指定初始容量为7，并使用上面定义的比较器
Queue<Customer> customerPriorityQueue = new PriorityQueue<>(7, idComparator);

/*
更简洁的写法： 使用Lambda表达式实现比较器
Queue<Customer> customerPriorityQueue = new PriorityQueue<>(7, (c1, c2) -> c1.getId() - c2.getId());
*/

// 添加元素到优先队列
customerPriorityQueue.add(new Customer(5));
customerPriorityQueue.add(new Customer(1));
customerPriorityQueue.add(new Customer(3));

需要注意的是，PriorityQueue不是线程安全的。如果在多线程环境中使用，建议使用java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue。

二、栈（Stack）相关工具类

在Java中，实现栈功能的类有多种，常用的有以下3种：

// 方式一：使用ArrayDeque实现栈
Deque<Integer> stack1 = new ArrayDeque<>();

// 方式二：使用LinkedList实现栈
Deque<Integer> stack2 = new LinkedList<>(); 

// 方式三：使用Stack类实现栈（不过这个类设计较老，不太推荐使用）
Stack<Integer> stack3 = new Stack<>();

这3种实现方式都有一些常用方法：

• void push(E e)：把元素压入栈顶。
• E pop()：移除并返回栈顶元素。
• E peek()：返回栈顶元素，但不移除。
• boolean isEmpty()：检查栈是否为空。
• int size()：返回栈中元素的数量。
• void clear()：清空栈。

它们之间也存在一些区别，具体如下：

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三、数组（Arrays）工具类

Arrays类提供了很多方便操作数组的方法，例如：

// 整数数组求和
int total = Arrays.stream(nums).sum();
// 整数数组获取最小值
int min = Arrays.stream(nums).min().getAsInt();

// 对数组进行排序
Arrays.sort(nums);

// 比较两个数组是否相等
Arrays.equals(nums1, nums2);

四、字符（Character）相关工具类

在处理字符时，Character类提供了一些实用的方法：

// 判断字符是否是字母或数字
Character.isLetterOrDigit(ch1);
// 将字符转为小写（对字母而言，如果字符已经是小写或不是字母，则返回原字符）
Character.toLowerCase(ch1); 

五、字符串相关工具类

（一）字符串数组拼接

// 使用指定的分隔符，将字符串数组拼接成一个字符串
String.join(" ", strs);

（二）字符串构建

// 创建一个StringBuffer对象，用于构建字符串
StringBuffer cur = new StringBuffer();
// 向StringBuffer中追加字符串
cur.append(str);
// 删除指定区间的字符，这里删除从start开始到字符串末尾的字符
cur.delete(start, cur.length());

（三）字符串转字符数组

// 将字符串转换为字符数组
char[] sc = str.toCharArray();

六、随机数生成相关工具类

在Java中，生成随机数有两种常见方式：

（一）使用Random类

// 创建Random对象
Random random = new Random();
// 生成一个0到9之间的随机整数
int a = random.nextInt(10);
// 生成一个0到9之间的随机long整数
long b = random.nextLong(10);
// 生成一个0到10(不包含)之间的随机浮点数
double c = random.nextDouble(10);

（二）使用Math.random()方法

// `Math.random()`是`Math`类的静态方法，返回一个`[0.0, 1.0)`范围内的伪随机`double`值。
// 通过乘以一个范围值并强制转换为`int`，可以生成一个随机整数
int num = (int) (Math.random() * 10); // 生成一个0到9的随机整数

这两种方法的区别如下：

七、集合相关工具类

（一）元素排序

在集合中对元素进行排序，可以使用Collections.sort()方法，示例如下：

// 使用匿名内部类实现比较器，按值降序排列
Collections.sort(list, new Comparator<Map.Entry<Integer, Integer>>() {
    @Override
    public int compare(Map.Entry<Integer, Integer> o1, Map.Entry<Integer, Integer> o2) {
        // 这里实现降序排列
        return o2.getValue().compareTo(o1.getValue()); 
    }
});

// 使用Lambda表达式简化代码
Collections.sort(list, (o1, o2) -> o2.getValue().compareTo(o1.getValue()));

// 对于简单的比较规则，可以使用`Comparator.comparing`方法。例如：Comparator.comparingInt(Customer::getId)
Collections.sort(list, Comparator.comparing(Map.Entry::getValue, Comparator.reverseOrder()));

（二）元素删除

在集合中删除元素时，需要注意不同集合的删除方法：

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// list集合的remove()方法，参数传的是索引，这里删除list中最后一个元素
list.remove(list.size() - 1);
// hashMap集合的remove()方法，参数传的是key，删除指定key对应的元素
hashMap.remove(val);

（三）元素交换

// 交换集合中指定位置的两个元素
Collections.swap(curList, i, first);

八、基本类型转换相关工具类

在处理数据类型转换时，经常会用到一些方法，例如将字符串转换为整型：

// 将字符串转换为整型
Integer a = Integer.parseInt(s);

本文详细介绍了刷算法题时常用的Java工具类，内容后续还会持续更新和完善。希望这些知识能帮助大家在算法题的学习和练习中理解得更透彻。