栈和队列 数据结构

Posted 一朵花花

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了栈和队列 数据结构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前言： 栈和队列都是基于List(线性表)来实现的，且其限制比List更严格(提供的操作更少)，即 List 比站栈和队列更灵活
栈的实际应用场景非常多，队列的实际应用场景更多

目录

栈 (Stack)

概念

栈是限定仅在末尾进行插入和删除操作的线性表，表尾指栈顶，而不是栈底

栈限制了线性表的插入和删除位置，它始终在栈顶进行
则：栈底是固定的，最先进栈的只能在栈底

先进后出
只支持3个核心操作：入栈，出栈，取栈顶元素

JVM 的内存区域划分(JVM内存模型)，JVM虚拟机栈，此处的栈 特指JVM中的内存区域
而今天学习的栈是，数据结构中的通用概念

栈的实现

以数组为例： 相对简单，直接上代码：

public class MyStack1 {
    //管理一些 int 元素，不考虑扩容问题
    private int[] array = new int[100];
    private int size = 0; //栈中存在多少个有效元素

    //入栈
    public void push(int x){
        array[size] = x;
        size++;
    }

    //取栈顶元素(最后进来的那个元素)
    public int peek(){
        return array[size-1];
    }

    //出栈
    public int pop(){
        int ret = array[size-1];
        size--;
        return ret;
    }
}

队列 (Queue)

概念

先进先出
只支持3个核心操作：入队列，出队列，取队首元素

举例：食堂排队买饭，先来的同学排在前边，后来的排在后边，先来的先买到饭，后来的后买到饭

队列的实现

实现队列的方式有很多，可以使用数组来实现，也可以使用链表来实现

以链表为例 不带傀儡节点

public class MyQueue1 {
    // Node 为内部类，定义在某个类或方法中的类

    // static 的效果是，创建 Node 的实例不依赖 MyQueue的这个类的实例
    static class Node{
        public int val;
        Node next = null;

        //提供构造方法
        public Node(int val) {
            this.val = val;
        }
    }
    //创建一个链表，需要一个头节点   此处以 不带傀儡节点为例
    //使用链表实现队列，入队列从表头插入，出队列从表尾删除
    // 或 入队列从表尾插入，出队列从表头删除
    // 无论上述那种，都需要记录头尾
    private Node head = null;
    private Node tail = null;

    //以 尾入头出 为例

    //入队列  尾部插入
    public void offer(int val){
        Node newNode = new Node(val);
        if(head == null){
            head = newNode;
            tail = newNode;
            return;
        }
        //非空链表
        tail.next = newNode;
        tail = tail.next;
    }

    //出队列 头部删除
    public Integer pull(int val){
        //判定队列是否为空
        if(head == null){
            //若出队列失败，返回一个错误值
            return null;
        }
        int ret = val;
        head = head.next;
        if(head == null){
            //删除之后，队列变成空
            tail = null;
        }
        return ret;
    }

    //取队首元素
    public Integer peek(){
        if(head == null){
            return null;
        }
        return head.val;
    }
}

此处出队列，返回值为Integer
.
若为 int，则返回一个错误值，例如：-1，0等
但若返回-1，就不清楚是出队列失败返回的-1，还是本来就返回的是-1，故 -1 不能做非法值
Integer 包装类，也是一个引用类型的对象，引用类型就可以是一个空引用，就可以表示非法情况
.
故：此处返回值不用 int，使用 Integer
.

以数组为例

一般我们会想到，入队列，即在数组后插入一个元素
而出队列，就会依次覆盖前一个元素(搬运操作)，但这样效率会比较低

下图所展现的过程就是低效的搬运过程：

循环队列(高效操作)

不用搬运也可完成出队列操作

画图表示：

当前队列中的有效元素就算是 [head，tail)
head 始终就是队首元素，tail 始终就是队尾的下一个元素
当 head 和 tail 重合时，此时队列为空


有效元素的情况：

  • tail 在前，head 在后

  • tail 在前，head 在后

  • head 和 tail 重合

当 head 和 tail 重合时，可能是空队列也可能是满队列

  1. 空队列

  1. 满队列

模拟实现：

public class MyQueue2 {
    private int[] array = new int[100];
    //size 表示元素个数
    private int size = 0;
    // [head,tail) 表示有效元素，但tail 可能在 head之前
    private int head = 0;
    private int tail = 0;

    //入队列
    public void offer(int val){
        //判定是否为满队列
        if(size == array.length){
            System.out.println("队列已满，无法插入！");
            return;
        }
        array[tail] = val;
        tail++;
        //若tail++，超出了数组的有效范围，那么让tail从0开始
        if(tail >= array.length){
            tail = 0;
        }
        size++;
    }

    //出队列
    public Integer poll(){
        //判定是否为空队列
        if(size == 0){
            System.out.println("队列为空，无法删除！");
            return null;
        }
        Integer ret = array[head];
        head++;
        if(head >= array.length){
            head = 0;
        }
        size--;
        return ret;
    }

    //取队首元素
    public Integer peek(){
        //判定是否为空队列
        if(size == 0){
            return 0;
        }
        return array[head];
    }
}

栈和队列实现起来非常容易，复杂的就是结合实际场景来使用

栈和队列的方法

栈的方法

方法作用
Stack( )定义一个空栈
push( )入栈
pop( )出栈(栈顶值)
peek( )取栈顶值(不出栈)
empty( )判断栈是否为空

代码示例：

public static void main(String[] args) {
	Stack<Integer> stack = new Stack<>();
	//入栈
	stack.push(1);
	stack.push(2);
	stack.push(3);
	stack.push(4);
	stack.push(5);
	System.out.println(stack.empty());
	
	//出栈
	int ret = stack.pop();
	System.out.println(ret);  //5
	ret = stack.pop();
	System.out.println(ret);  //4
	ret = stack.pop();
	System.out.println(ret);  //3
	ret = stack.pop();
	System.out.println(ret);  //2
	ret = stack.pop();
	System.out.println(ret);  //1
	
	System.out.println(stack.empty());
}

输出结果：

验证了栈的 先进后出 的特性

若为空栈，在进行出栈，则可能发生异常

public static void main(String[] args) {
	Stack<Integer> stack = new Stack<>();
	//入栈
	stack.push(1);
	//出栈
	int ret = stack.pop();
	System.out.println(ret);  
	ret = stack.pop();
	System.out.println(ret);  
}


标准库中的 Stack 如果为空，再次 pop / peek，都会抛出异常

队列的方法

一般建议使用 offer( )，poll( )，peek( ) 这组操作

方法作用错误处理
offer( )将指定元素插入队列成功返回 true，否则返回 false
poll( )取并移除队首元素 (出队列)队列为空，返回null
peek( )取队首元素，但不出队列队列为空，返回null
add( )入队列抛出 IllegalStateException 异常
remove( )取并移出队首元素(出队列)队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常
element( )取队首元素，但不出队列队列为空，抛出 NoSuchElementException 异常
  • ①add( ) remove( ) element( ) 示例：
public static void main(String[] args) {
	//初始化
	Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();

	//入队列
	queue.add(1);
	queue.add(2);
	queue.add(3);
	queue.add(4);
	//取队首元素 (不出队列)
	System.out.println("使用element()取队首元素....");
	System.out.println(queue.element());
	System.out.println();
	//出队列
	System.out.println("使用remove()出队列....");
	System.out.println(queue.remove());
	System.out.println(queue.remove());
	System.out.println(queue.remove());
	System.out.println(queue.remove());
}

输出结果：


验证了队列的 先进先出 的特性

特殊情况：

  • 队列为空，取队首元素
public static void main(String[] args) {
   	Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
   	//取队首元素 (不出队列)
   	System.out.println("使用element()取队首元素....");
 	System.out.println(queue.element());
	System.out.println();
}

输出结果：
.
.

  • 队列为空，出队列
public static void main(String[] args) {
	Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
	//出队列
	System.out.println("使用remove()出队列....");
	System.out.println(queue.remove());
}

输出结果：
.

  • ②offer( )，poll( )，peek( ) 示例：
public static void main(String[] args) {
    //初始化
    Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    
    //将指定元素插入队列
    queue.offer(66);
    queue.offer(88);
    queue.offer(99);
    System.out.println();
    
    //取队首元素
    System.out.println("使用peek()取队首元素....");
    System.out.println(queue.peek());
    System.out.println();
    //出队列
    System.out.println("使用poll()出队列....");
    System.out.println(queue.poll());
    System.out.println(queue.poll());
    System.out.println(queue.poll());
}

输出结果：

特殊情况：

  • 队列为空，取队首元素
public static void main(String[] args) {
   //初始化
   Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();   
   //取队首元素
   System.out.println("使用peek()取队首元素....");
   System.out.println(queue.peek());
   System.out.println();
}

输出结果：
.
.

  • 队列为空，出队列
public static void main(String[] args) {
   //初始化
   Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();   
   //出队列
   System.out.println("使用poll()出队列....");
   System.out.println(queue.poll());
   System.out.println();
}

输出结果：
.

由上述例子可知，第①组操作失败就会抛出异常，第②组操作失败会返回一个错误值
故：一般建议使用 offer( )，poll( )，peek( ) 这组操作

下篇我们会讨论有关栈和队列的面试题~~

以上是关于栈和队列 数据结构的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

数据结构之栈和队列

栈和队列知识点总结

栈和队列数据结构的特点,啥情况下用到栈,啥情况下用到队列(各举3个例子)

数据结构栈和队列

博客作业03--栈和队列

栈和队列