栈和队列--数据结构

news2025/10/31 7:25:22

栈（Stsck）

概念

栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵循“后进先出”（LIFO）的原则。

压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈。入数据在栈顶
出栈：栈的删除叫做出栈。出数据在栈顶

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栈的使用

方法	功能
Stack()	构造一个空的栈
E push(E e)	将e入栈，并返回e
E pop()	将栈顶元素出栈并返回
E peek()	获取栈顶元素
int size()	获取栈中有效元素个数
boolean empty()	检测栈是否为空

public static void main(String[] args) {
   Stack<Integer> s = new Stack();
   s.push(1);
   s.push(2);
   s.push(3);
   s.push(4);
   System.out.println(s.size());   // 获取栈中有效元素个数---> 4
   System.out.println(s.peek());   // 获取栈顶元素---> 4
   s.pop();   // 4出栈，栈中剩余1   2   3，栈顶元素为3
   System.out.println(s.pop());   // 3出栈，栈中剩余1 2   栈顶元素为3
   if(s.empty()){
       System.out.println("栈空");
  }else{
       System.out.println(s.size());
       }
  }

栈的模拟实现

在这里插入图片描述

从上图可以看到，Stack继承了Vector和ArrayList类似，都是动态顺序表，不同的是Vector是线程安全的。

public class MyStack {
   int[] array;
   int size;
   public MyStack(){
       array = new int[3];
  }
   public int push(int e){
       ensureCapacity();
       array[size++] = e;
       return e;
  }
   public int pop(){
       int e = peek();
       size--;
       return e;
  }
   public int peek(){
       if(empty()){
           throw new RuntimeException("栈为空，无法获取栈顶元素");
      }
       return array[size-1];
  }
   public int size(){
    return size;
  }
   public boolean empty(){
       return 0 == size;
  }
   private void ensureCapacity(){
       if(size == array.length){
           array = Arrays.copyOf(array, size*2);
      }
  }
}

栈的应用场景

改变元素的序列

1. 若进栈序列为 1,2,3,4 ，进栈过程中可以出栈，则下列不可能的一个出栈序列是（）
  A: 1,4,3,2   B: 2,3,4,1   C: 3,1,4,2   D: 3,4,2,1
   
2.一个栈的初始状态为空。现将元素1、2、3、4、5、A、B、C、D、E依次入栈，然后再依次出栈，则元素出栈的顺
序是（ ）。
A: 12345ABCDE   B: EDCBA54321   C: ABCDE12345   D: 54321EDCBA

例：逆序打印链表

/ 递归方式
void printList(Node head){
   if(null != head){
       printList(head.next);
       System.out.print(head.val + " ");
  }
}
// 循环方式
void printList(Node head){
   if(null == head){
       return;
  }
   
   Stack<Node> s = new Stack<>();
   // 将链表中的结点保存在栈中
   Node cur = head;
   while(null != cur){
       s.push(cur);
       cur = cur.next;
  }
  // 将栈中的元素出栈
   while(!s.empty()){
       System.out.print(s.pop().val + " ");
       }
  }

3.括号匹配

概念区别

栈、虚拟机栈、栈帧有什么区别呢？

"栈"是一个更通用的数据结构概念，而"虚拟机栈"是这个概念在特定的虚拟机环境中的具体实现。
"栈帧"是栈中的一个元素，它包含了一个方法调用所需的所有信息。每个栈帧对应于一个方法调用。
在虚拟机（如JVM）中，每个线程的虚拟机栈由多个栈帧组成，每个方法调用时产生一个新的栈帧，方法返回时栈帧被弹出。

因此，这三个概念虽然紧密相关，但是它们分别指代了数据结构的类型（栈）、这种数据结构在特定环境中的实例（虚拟机栈）以及栈中用于存储方法调用状态的单个元素（栈帧）。

队列

概念

队列：只允许在一端进行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作的特殊线性表，队列具有先进先出FIFO(First
In First Out) 入队列：进行插入操作的一端称为队尾（Tail/Rear）出队列：进行删除操作的一端称为队头（Head/Front）。
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队列的使用

在Java中，Queue是个接口，底层是通过链表实现的。
在这里插入图片描述

方法	功能
boolean oﬀer(E e)	入队列
E poll()	出队列
peek()	获取队头元素
int size()	获取队列中有效元素个数
boolean isEmpty()	检测队列是否为空

注意：Queue是个接口，在实例化时必须实例化LinkedList的对象，因为LinkedList实现了Queue接口。

public static void main(String[] args) {
   Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
   q.oﬀer(1);
   q.oﬀer(2);
   q.oﬀer(3);
   q.oﬀer(4);
   q.oﬀer(5);                  // 从队尾入队列
   System.out.println(q.size());
   System.out.println(q.peek());  // 获取队头元素
   
   q.poll();
   System.out.println(q.poll());  // 从队头出队列，并将删除的元素返回
   
   if(q.isEmpty()){
       System.out.println("队列空");
  }else{
       System.out.println(q.size());
  }
}

队列模拟的实现

队列中既然可以存储元素，那底层肯定要有能够保存元素的空间，通过前面线性表的学习了解到常见的空间类型有
两种：顺序结构和链式结构。
在这里插入图片描述

public class Queue {
   // 双向链表节点
   public static class ListNode{
       ListNode next;
       ListNode prev;
       int value;
       ListNode(int value){
           this.value = value;
      }
  }
   ListNode ﬁrst;   // 队头
   ListNode last;    // 队尾
   int size = 0;
   // 入队列---向双向链表位置插入新节点
   public void oﬀer(int e){
       ListNode newNode = new ListNode(e);
       if(ﬁrst == null){
           ﬁrst = newNode;
           // last = newNode;
      }else{
           last.next = newNode;
           newNode.prev = last;
           // last = newNode;
      }
       last = newNode;
       size++;
  }
   // 出队列---将双向链表第一个节点删除掉
   public int poll(){
       // 1. 队列为空
       // 2. 队列中只有一个元素----链表中只有一个节点---直接删除
       // 3. 队列中有多个元素---链表中有多个节点----将第一个节点删除
       int value = 0;
       if(ﬁrst == null){
           return null;
      }else if(ﬁrst == last){
           last = null;
           ﬁrst = null;
      }else{
           value = ﬁrst.value;
           ﬁrst = ﬁrst.next;
           ﬁrst.prev.next = null;
           ﬁrst.prev = null;
      }
       --size;
       return value;
  }
   // 获取队头元素---获取链表中第一个节点的值域
   public int peek(){
       if(ﬁrst == null){
           return null;
      }
       return ﬁrst.value;
  }
   public int size() {
       return size;
  }
   public boolean isEmpty(){
       return ﬁrst == null;
  }
}

循环队列

实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型时可以就会使用循环队列。
环形队列通常使用数组实现。
在这里插入图片描述
数组下标循环的小技巧

下标最后再往后(oﬀset 小于 array.length): index = (index + oﬀset) % array.length
下标最前再往前(oﬀset 小于 array.length): index = (index + array.length - oﬀset) % array.length

如何区分空与满

通过添加 size 属性记录
保留一个位置
使用标记

双端队列

双端队列（deque）是指允许两端都可以进行入队和出队操作的队列，deque 是 “double ended queue” 的简称。
那就说明元素可以从队头出队和入队，也可以从队尾出队和入队。在这里插入图片描述
Deque是一个接口，使用时必须创建LinkedList的对象。
在实际工程中，使用Deque接口是比较多的，栈和队列均可以使用该接口。

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现
Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现

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