栈队列详解

2023-08-09 90

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简介： 栈队列详解

对于java语言来说，如果需要实现栈队列的数据结构，我们已经不需要自己手动实现了，java内部已经帮我们实现好了栈和队列，而且在其基础上又有了优化

当需要使用栈时，Java已不推荐使用Stack，而是推荐使用更高效的ArrayDeque；既然Queue只是一个接口，当需要使用队列时也就首选ArrayDeque了(次选是LinkedList)

队列（先进先出）

对于栈来说，java内部封装Stack方法，但是没有封装Queue的方法。只有实现了接口

Queue接口

Queue接口继承自Collection接口，除了最基本的Collection的方法之外，它还支持额外的insertion, extraction和inspection操作。这里有两组格式，共6个方法，一组是抛出异常的实现；另外一组是返回值的实现(没有则返回null)。

Deque—-继承Queue的接口

双向队列，也就是既可以实现队首插入、删除、查看。也可以实现队尾插入、删除、查看的操作。通过这些操作能够更加高效的实现我们所需的操作

由于Deque是双向的，所以可以对队列的头和尾都进行操作，它同时也支持两组格式，一组是抛出异常的实现；另外一组是返回值的实现(没有则返回null)。

因为双向队列的缘故，我们既可以将其当作队列，也可以将当作栈。

如果将Deque当作队列和 Queue一样使用。那么对应Queue的方法就是这些

对应Queue中的方法

栈（先进后出）

如果将Deque当作栈来使用,那么就是先进后出的一种结果。因此我们对应的方法就是下面这些

Deque的实现类

ArrayDeque和LinkedList是Deque的两个通用实现，由于官方更推荐使用AarryDeque用作栈和队列,所以说，我们这里就着重了解ArrayDeque的实现

ArrayDeque

ArrayDeque底层通过数组实现，为了满足可以同时在数组两端插入或删除元素的需求，该数组还必须是循环的，即**循环数组(circular array)**，也就是说数组的任何一点都可能被看作起点或者终点。

ArrayDeque是非线程安全的(not thread-safe)，当多个线程同时使用的时候，需要程序员手动同步；另外，该容器不允许放入null元素。

//由源码我们可以知道，它的初始容量为8
private static final int MIN_INITIAL_CAPACITY = 8;

容量满时翻倍

/**
 * Doubles the capacity of this deque.  Call only when full, i.e.,
 * when head and tail have wrapped around to become equal.
 */
private void doubleCapacity() {
    assert head == tail;
    int p = head;
    int n = elements.length;
    int r = n - p; // number of elements to the right of p  head右边元素的个数
    int newCapacity = n << 1;//原空间的2倍
    if (newCapacity < 0)
        throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
    Object[] a = new Object[newCapacity];
    System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);//复制右半部分，对应上图中绿色部分
    System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);//复制左半部分，对应上图中灰色部分
    elements = a;
    head = 0;
    tail = n;
}

addFirst

addFirst(E e)的作用是在Deque的首端插入元素，也就是在head的前面插入元素，在空间足够且下标没有越界的情况下，只需要将elements[--head] = e即可。

要考虑的需求：

1.空间是否够用

2.下标是否越界的问题。

上图中，如果head为0之后接着调用addFirst()，虽然空余空间还够用，但head为-1，下标越界了。下列代码很好的解决了这两个问题。

//addFirst(E e)
public void addFirst(E e) {
    if (e == null)//不允许放入null
        throw new NullPointerException();
    elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;//2.下标是否越界
    if (head == tail)//1.空间是否够用
        dou
        bleCapacity();//扩容
}

addLast

addLast(E e)的作用是在Deque的尾端插入元素，也就是在tail的位置插入元素，由于tail总是指向下一个可以插入的空位，因此只需要elements[tail] = e;即可。插入完成后再检查空间，如果空间已经用光，则调用doubleCapacity()进行扩容。

public void addLast(E e) {
    if (e == null)//不允许放入null
        throw new NullPointerException();
    elements[tail] = e;//赋值
    if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)//下标越界处理
        doubleCapacity();//扩容
}

pollFirst

pollFirst()的作用是删除并返回Deque首端元素，也即是head位置处的元素。如果容器不空，只需要直接返回elements[head]即可，当然还需要处理下标的问题。由于ArrayDeque中不允许放入null，当elements[head] == null时，意味着容器为空。

public E pollFirst() {
    int h = head;
    E result = elements[head];
    if (result == null)//null值意味着deque为空
        return null;
    elements[h] = null;//let GC work
    head = (head + 1) & (elements.length - 1);//下标越界处理
    return result;
}

pollLast

pollLast()的作用是删除并返回Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那个元素。

public E pollLast() {
    int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);//tail的上一个位置是最后一个元素
    E result = elements[t];
    if (result == null)//null值意味着deque为空
        return null;
    elements[t] = null;//let GC work
    tail = t;
    return result;
}

peekFirst

peekFirst()的作用是返回但不删除Deque首端元素，也即是head位置处的元素，直接返回elements[head]即可。

public E peekFirst() {
    return elements[head]; // elements[head] is null if deque empty
}

peekLast

peekLast()的作用是返回但不删除Deque尾端元素，也即是tail位置前面的那个元素。

public E peekLast() {
    return elements[(tail - 1) & (elements.length - 1)];
}

优先队列叫做PriorityQueue

优先队列的作用是能保证每次取出的元素都是队列中权值最小的(Java的优先队列每次取最小元素，C++的优先队列每次取最大元素)。这里牵涉到了大小关系，元素大小的评判可以通过元素本身的自然顺序(*natural ordering*)，也可以通过构造时传入的比较器(Comparator，类似于C++的仿函数)。

参考实现: https://pdai.tech/md/java/collection/java-collection-PriorityQueue.html