Java版的数据结构——栈和队列

简介: Java版的数据结构——栈和队列

1. 栈(Stack)

1.1 概念

栈: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。

1.2 栈的使用

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
public static void main(String[] args) {
  Stack<Integer> s = new Stack();
  s.push(1);
  s.push(2);
  s.push(3);
  s.push(4);
  System.out.println(s.size());  // 获取栈中有效元素个数---> 4
  System.out.println(s.peek());  // 获取栈顶元素---> 4
  s.pop();  // 4出栈,栈中剩余1  2  3,栈顶元素为3
  System.out.println(s.pop());  // 3出栈,栈中剩余1 2  栈顶元素为3
  if(s.empty()){
    System.out.println("栈空");
 }else{
    System.out.println(s.size());
 }
}

1.3 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。

import java.util.Arrays;
public class MyStack {
    //创建一个顺序栈
    public int[] elem;
    public int usedSize;
    public MyStack(){
        this.elem = new int[10];
    }
    //压栈
    public void push(int val){
        //首先判断栈是不是满了
        if(isFull()){
            //扩容
            elem = Arrays.copyOf(elem,elem.length * 2);
        }
        elem[usedSize++] = val;
    }
    //出栈
    public int pop(){
        if (isEmpty()){
            throw new EmptyException("栈是空的!");
        }
        return elem[--usedSize];
    }
    //查看栈顶
    public int peek(){
        if(isEmpty()){
            throw new EmptyException("栈是空的!");
        }
        return elem[usedSize - 1];
    }
    //判断栈是不是空了
    public boolean isEmpty(){
        return usedSize == 0;
    }
    //栈的大小
    public int size(){
        return usedSize;
    }
    //判断栈是不是满了
    public boolean isFull(){
        return usedSize == elem.length;
    }
}

1.4 栈的应用场景

1.4.1 改变元素的序列

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(C

A: 1,4,3,2  B: 2,3,4,1  C: 3,1,4,2  D: 3,4,2,1

 

2.一个栈的初始状态为空。现将元素1、2、3、4、5、A、B、C、D、E依次入栈,然后再依次出栈,则元素出栈的顺序是(C)。

A: 12345ABCDE  B: EDCBA54321  C: ABCDE12345  D: 54321EDCBA

1.4.2 将递归转化为循环

// 递归方式
void printList(Node head){
  if(null != head){
    printList(head.next);
 }
  System.out.print(head.val + " ");
}
Stack<Node> s = new Stack<>();
  // 将链表中的结点保存在栈中
  Node cur = head;
  while(null != cur){
    s.push(cur);
    cur = cur.next;
  }
 // 将栈中的元素出栈
 while(!s.empty()){
    System.out.print(s.pop().val + " ");
 }

2. 队列(Queue)

2.1 概念

队列: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)

2.2 队列的使用

在Java中,Queue是个接口,底层是通过链表实现的。

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() 获取队列中的有效元素个数
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。

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());
 }
}

2.3 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

小伙伴们思考下:队列的实现使用顺序结构还是链式结构好?【在下列的循环队列解释】

//链式队列
public class MyQueue {
    //首先创建结点,用内部类实现
    static class Node{
        public int val;
        public Node next;
        //构造方法
        public Node(int val){
            this.val = val;
        }
    }
    //有个队头指针和队尾指针
    public Node head;
    public Node last;
    //队列的大小
    public int usedSize;
    //入队
    public void offer(int val){
        Node node = new Node(val);
        if(head == null){//证明队列为空
            head = node;
            last = node;
        }else{//如果有元素了
            last.next = node;
            last = node;
        }
        usedSize++;
    }
    //出队
    public int poll() {
        //判断队列是否为空
        if (empty()) {
            throw new EmptyException("队列为空");//自定义异常类
        }
        int ret = head.val;
        head = head.next;
        if (head == null) {
            last = null;//只有一个结点时,那么last也要置空。因为如果last不置空,出队的结点还是有引用指向它,它就不会被gc回收
        }
        usedSize--;
        return ret;
    }
    //判断队列是否为空
    public boolean empty() {
        return usedSize == 0;
    }
    //查看队头元素
    public int peek(){
        //判断队列是否为空
        if (empty()) {
            throw new EmptyException("队列为空");//自定义异常类
        }
        return head.val;
    }
    //获得队列大小
    public int getUsedSizeize(){
        return usedSize;
    }
}

2.4 循环队列

实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型时可以就会使用循环队列。环形队列通常使用数组实现。

如果是普通的顺序队列,就会导致队头标记跑到了数组的末尾,导致存储空间的浪费,这也就是上面的队列实现要使用链式队列的原因

数组下标循环的小技巧

1. 下标最后再往后(offset 小于 array.length): index = (index + offset) % array.length

2. 下标最前再往前(offset 小于 array.length): index = (index + array.length - offset) % array.length

如何区分空与满

1. 通过添加 size 属性记录

2. 保留一个位置

3. 使用标记

代码实现:

//循环队列
public class MyCircularQueue {
    private int elem[];
    private int front;//表示队列的头
    private int rear;//表示队列的尾
    //创建循环队列
    public MyCircularQueue(int k) {
        //如果是浪费空间,这里必须多加一个1
        this.elem = new int[k + 1];
    }
    //判断队列是否为满
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % elem.length == front;
    }
    //入队列
    public boolean enQueue(int value) {
        //1. 检查是否队列是满的
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        rear = (rear + 1) % elem.length;
        elem[rear] = value;
        return true;
    }
    //出队列
    public boolean deQueue() {
        //队列为空
        if (isEmpty()) {
            return false;
        }
        front = (front + 1) % elem.length;
        return true;
    }
    //得到队头元素
    public int Front() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elem[front];
    }
    //得到队尾元素
    public int Rear() {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        int index = (rear == 0) ? elem.length - 1 : rear-1;
        return elem[index];
    }
    //判读队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }
}

3. 双端队列(Deque)

双端队列(deque)是指允许两端都可以进行入队和出队操作的队列,deque 是 “double ended queue” 的简称。那就说明元素可以从队头出队和入队,也可以从队尾出队和入队。

Deque是一个接口,使用时必须创建LinkedList的对象。

在实际工程中,使用Deque接口是比较多的,栈和队列均可以使用该接口

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