【数据结构】栈和队列

对栈（Stack）和队列（Queue）的知识讲解并掌握使用，区分栈、虚拟机栈、函数栈帧；设计循环队列。

香菜绝绝子

3348人浏览 · 2024-08-08 12:18:49

香菜绝绝子 · 2024-08-08 12:18:49 发布

栈

1、概念

栈(Stack) ：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。栈中的数据元素遵守后进先出 LIFO （ Last In First Out ）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：栈的删除操作叫做出栈。 出数据在栈顶 。

来道例题：

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

注意：进栈过程中可以出栈，答案选C

2、栈的使用

Stack是Java提供的类，其中包含了可以对栈进行一系列操作的常见方法

栈的方法：

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

代码示例：

public static void main(String[] args) {
        Stack<Integer> stack=new Stack<>();
        stack.push(40);
        stack.push(30);
        stack.push(20);
        stack.push(10);
        System.out.println(stack);//[40, 30, 20, 10]
        System.out.println(stack.search(new Integer(40)));//返回40下标4
        System.out.println(stack.pop());//删除栈顶元素10并返回
        System.out.println(stack.peek());//获取栈顶元素 20
    }

3、栈的模拟实现

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

代码实例：

public class Mystack {
    int []elem;
    int size;

    public Mystack(){
        elem=new int[10];
    }

    public int push(int e){
        ensureCapacity();
       elem[size++] = e;
        return e;
    }

    public int peek(){
        if(empty()){
            throw new RuntimeException("栈为空，无法获取栈顶元素");
        }
        return elem[size-1];
    }

    public boolean empty(){
        return 0 == size;
    }

    public int pop(){
        int e = peek();
        size--;
        return e;
    }

//扩容
    private void ensureCapacity(){
        if(size==elem.length)
            elem= Arrays.copyOf(elem,size*2);
    }
}

队列

1、概念

队列(Queue)：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 ）

2、队列的使用

在 Java 中， Queue 是个接口，底层是通过链表实现 的。

Queue方法：

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。

代码实例：

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());
            }
    }

3、队列模拟实现

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 。 列的实现使用一般使用链式结构

public class MyQueue {
        // 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 -1;
            }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 -1;
            }
            return first.value;
        }
        public int size() {
            return size;
        }
        public boolean isEmpty(){
            return first == null;
        }
}