栈队列详解

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)。


image-20230305084707140.png


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)。


image-20230305085129505.png


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


image-20230305085338508.png


对应Queue中的方法


image-20230305085458034.png


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

image-20230305090025862.png


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。


ArrayDeque_base.png



//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


ArrayDeque_doubleCapacity.png


/**
 * 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。


ArrayDeque_addFirst.png


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。

ArrayDeque_addLast.png


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


目录
相关文章
|
17天前
|
C语言
【数据结构】栈和队列(c语言实现)(附源码)
本文介绍了栈和队列两种数据结构。栈是一种只能在一端进行插入和删除操作的线性表,遵循“先进后出”原则;队列则在一端插入、另一端删除,遵循“先进先出”原则。文章详细讲解了栈和队列的结构定义、方法声明及实现,并提供了完整的代码示例。栈和队列在实际应用中非常广泛,如二叉树的层序遍历和快速排序的非递归实现等。
91 9
|
8天前
|
存储 算法
非递归实现后序遍历时,如何避免栈溢出?
后序遍历的递归实现和非递归实现各有优缺点,在实际应用中需要根据具体的问题需求、二叉树的特点以及性能和空间的限制等因素来选择合适的实现方式。
17 1
|
11天前
|
存储 算法 Java
数据结构的栈
栈作为一种简单而高效的数据结构,在计算机科学和软件开发中有着广泛的应用。通过合理地使用栈,可以有效地解决许多与数据存储和操作相关的问题。
|
14天前
|
存储 JavaScript 前端开发
执行上下文和执行栈
执行上下文是JavaScript运行代码时的环境,每个执行上下文都有自己的变量对象、作用域链和this值。执行栈用于管理函数调用,每当调用一个函数,就会在栈中添加一个新的执行上下文。
|
16天前
|
存储
系统调用处理程序在内核栈中保存了哪些上下文信息?
【10月更文挑战第29天】系统调用处理程序在内核栈中保存的这些上下文信息对于保证系统调用的正确执行和用户程序的正常恢复至关重要。通过准确地保存和恢复这些信息,操作系统能够实现用户模式和内核模式之间的无缝切换,为用户程序提供稳定、可靠的系统服务。
43 4
|
20天前
|
算法 安全 NoSQL
2024重生之回溯数据结构与算法系列学习之栈和队列精题汇总(10)【无论是王道考研人还是IKUN都能包会的;不然别给我家鸽鸽丢脸好嘛?】
数据结构王道第3章之IKUN和I原达人之数据结构与算法系列学习栈与队列精题详解、数据结构、C++、排序算法、java、动态规划你个小黑子;这都学不会;能不能不要给我家鸽鸽丢脸啊~除了会黑我家鸽鸽还会干嘛?!!!
|
1月前
数据结构(栈与列队)
数据结构(栈与列队)
18 1
|
1月前
|
存储 JavaScript 前端开发
为什么基础数据类型存放在栈中,而引用数据类型存放在堆中?
为什么基础数据类型存放在栈中,而引用数据类型存放在堆中?
68 1
|
1月前
【数据结构】-- 栈和队列
【数据结构】-- 栈和队列
17 0
|
1月前
|
算法 程序员 索引
数据结构与算法学习七:栈、数组模拟栈、单链表模拟栈、栈应用实例 实现 综合计算器
栈的基本概念、应用场景以及如何使用数组和单链表模拟栈,并展示了如何利用栈和中缀表达式实现一个综合计算器。
31 1
数据结构与算法学习七:栈、数组模拟栈、单链表模拟栈、栈应用实例 实现 综合计算器