3.栈与队列

Posted 2020-12-14 codespoon

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栈（stack）

• 特点：操作受限的线性表，只允许在一端插入和删除数据，后进先出

• 顺序栈，入栈操作有两种情况：

  • 栈空间足够，那么直接入栈就行（定义不涉及内存搬移的入栈操作为simple-push操作，时间复杂度为O(1)）

  • 栈空间不足，则此时需要申请一块更大的内存空间，并将栈中的所有数据（设大小为K）搬移至新的栈中，这里的时间复杂度为O(n)，那么假设栈容量为K，入栈K个数据，一共需要K次数据搬移和K次simple-push，均摊下来入栈的时间复杂度为O(1)

  均摊时间复杂度一般都等于最好情况下时间复杂度，因为大多数情况下，入栈时间复杂度都是O(1)，只有在个别情况下才会退化成O(n)。

• 栈的应用

  • 函数调用栈

  • 表达式求值

  • 括号匹配

  • 浏览器页面进退

  • ···

队列（Queue）

• 特点：操作受限的线性表，先进先出

• 操作

  • 入队：tail++

  • 出队：head++

• 顺序队列，入队出队的操作会使head和tail不断向数组右边移动，当tail移动到最右边，即使数组中还有空闲空间也无法继续往队列中添加数据了

  • 优化1：入队出队时进行数据搬移，使得head始终对应数组下标为0的数据。这种做法入队出队时间复杂度都是O(n)

  • 优化2：实际上出队时不用进行数据搬移，只需将head移动至下一个数据，在tail到达数组最后一个下标时触发一次集中的搬移操作。入队出队时间复杂度为O(1)

  • 优化3：循环队列

    • 队空条件：tail == head

    • 队满条件：（tail + 1）% n == head

    当队列满时，tail指向的位置实际上是没有存储数据的，所以循环队列会浪费一个存储空间

    • 入队：tail++

    • 出队：head++

• 队列的应用：队列是一种很有用的数据结构，可以应用在任何有限资源池中，用于排队请求

  • 阻塞队列：队列为空时取数据、队列满时插入数据会被阻塞。使用阻塞队列能轻松实现一个“生产者-消费者模型”

  • 并发队列：在多线程情况下会有多个线程同时操作队列，此时需要一个线程安全的队列

    • 方案1：加锁，但锁粒度大时并发度会比较低

    • 方案2：CAS，基于数组的循环队列利用CAS可以实现非常高效的并发队列

• 顺序队列和链式队列对排队请求的影响

  • 顺序队列（有界队列）大小有限，当线程池中排队请求超过队列大小时，接下来的请求会被拒绝。这种方式对响应时间敏感的系统来说更为合理。不过设置一个大小合理的队列也是非常有讲究的，队列太大导致等待请求过多，队列太小无法充分利用系统资源。

  • 链式队列（无界队列）支持无限排队，但可能导致过多的排队请求，请求处理的响应时间过长。对于响应时间敏感的系统，不适合使用这种方式。