**【本节目标】
- 栈的概念及使用
- 队列的概念及使用
- 相关OJ题**
1.栈(Stack)
1.1 概念
栈:一种特殊的线性表,其只允许在固定一端进行插入和删除元素的操作,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,栈中的数据遵守后进后出的原则.
栈在生活中的例子:
1.2 栈的使用
cpp
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
}
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。
cpp
import java.util.Arrays;
public class Mystack implements IStack{
int[] elem;
private final int chushi=10;
public Mystack(int[] elem) {
this.elem = new int[chushi];
}
int usesize = 0;
@Override
public int push(int e) {
if(full()){
elem= Arrays.copyOf(elem,elem.length*2);
}
elem[usesize]=e;
usesize++;
return e;
}
@Override
public boolean full(){
if(usesize == elem.length){
return true;
}
else {
return false;
}
}
@Override
public int pop() {
if(full()){
throw new EmpyExcetion("栈空了");
}
int old = elem[usesize-1];
usesize--;
return old;
}
@Override
public int peek() {
if(full()){
throw new EmpyExcetion("栈空了");
}
return elem[usesize-1];
}
@Override
public int size() {
return 0;
}
@Override
public boolean empty() {
return usesize==0;
}
public class EmpyExcetion extends RuntimeException{
public EmpyExcetion(String a) {
super(a);
}
}
}1.4 栈的应用场景
1.改变元素的序列
- 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（）
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（ ）。
A: 12345ABCDE B: EDCBA54321 C: ABCDE12345 D: 54321EDCBA
2.将递归转化成循环
比如逆序打印链表:
cpp
//递归方式
void printList(Node head){
if(null != head){
printList(head.next);
System.out.print(head.val + " ");
}
}
//循环方式
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 + " ");
}
}通过一些习题加深对栈的理解:
1.括号匹配
cpp
class Solution {
public boolean isValid(String s) {
Stack<Character> stack = new Stack<>();
for(int i=0; i<s.length(); i++){ //遍历字符串
char ch = s.charAt(i);
if(ch=='('||ch=='['||ch=='{'){
stack.push(ch); //将左括号压入栈
}
else{
if(stack.empty()){
return false;
}
char ch2 = stack.peek();
if((ch2=='{'&&ch=='}') || (ch2=='('&&ch==')') || (ch2=='['&&ch==']')){
stack.pop();
}
else{
return false;
}
}
}
if(!stack.empty()){
return false;
}
return true;
}
}2.逆波兰表达式求值
cpp
class Solution {
public int evalRPN(String[] tokens) {
Stack<Integer> stack = new Stack<>();
for(String x:tokens){
if(!Opertion(x)){
stack.push(Integer.parseInt(x));
}
else{
int a = stack.pop();
int b = stack.pop();
switch(x){
case "+":
stack.push(a+b);
break;
case "-":
stack.push(b-a);
break;
case "*":
stack.push(a*b);
break;
case "/":
stack.push(b/a);
break;
}
}
}
return stack.pop();
}
public boolean Opertion(String x){
if(x.equals("*") || x.equals("/") || x.equals("-") || x.equals("+")){
return true;
}
else{
return false;
}
}
}5.验证栈的序列
cpp
class Solution {
public boolean validateStackSequences(int[] pushed, int[] popped) {
Stack<Integer> pushh = new Stack<>();
int j =0;
for(int i=0; i<pushed.length; i++){
pushh.push(pushed[i]);
while(j<pushed.length&& !pushh.empty()&&popped[j]==pushh.peek() ){
pushh.pop();
j++;
}
}
return pushh.empty();
}
}- 最小栈
cpp
class MinStack {
Stack<Integer> stack;
Stack<Integer> minstack;
public MinStack() {
stack = new Stack<>();
minstack = new Stack<>();
}
public void push(int val) {
stack.push(val);
if(minstack.empty()){
minstack.push(val);
}
else{
int tem = minstack.peek();
if(val<=tem){
minstack.push(val);
}
}
}
public void pop() {
int tem = stack.pop();
if(!minstack.empty()){
if(tem==minstack.peek()){
minstack.pop();
}
}
}
public int top() {
return stack.peek();
}
public int getMin() {
if(!minstack.empty()){
return minstack.peek();
}
return -1;
}
}1.5 区分概念
栈,虚拟基栈,栈帧有什么区别?
栈是一种数据结构
虚拟基栈是JVM划分的一块内存
栈帧是调用这个方法的时候会在虚拟机中开辟一块内存
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.
操作方法:
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。
cpp
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 模拟实现队列
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。
插入和删除操作效率高：LinkedList实现的队列在插入和删除操作时效率更高，因为它的底层数据结构是链表，插入和删除元素时只需要改变指针指向，不需要移动元素。
内存占用更灵活：LinkedList实现的队列在添加或删除元素时，不需要像ArrayList一样重新分配内存空间，因此内存占用更加灵活。
支持更多操作：LinkedList实现的队列支持更多的操作，如在任意位置插入或删除元素，而ArrayList实现的队列只能在末尾进行插入和删除操作。
对于大量的插入和删除操作，LinkedList实现的队列性能更好。但是对于随机访问的操作，ArrayList实现的队列性能更好。
cpp
public class Queue {
// 双向链表节点
public static class ListNode{
ListNode next;
ListNode prev;
int value;
ListNode(int value){
this.value = value;
}
}
ListNode first; // 队头
ListNode last; // 队尾
int size = 0;
// 入队列---向双向链表位置插入新节点
public void offer(int e){
ListNode newNode = new ListNode(e);
if(first == null){
first = newNode;
// last = newNode;
}else{
last.next = newNode;
newNode.prev = last;
// last = newNode;
}
last = newNode;
size++;
}
// 出队列---将双向链表第一个节点删除掉
public int poll(){
// 1. 队列为空
// 2. 队列中只有一个元素----链表中只有一个节点---直接删除
// 3. 队列中有多个元素---链表中有多个节点----将第一个节点删除
int value = 0;
if(first == null){
return null;
}else if(first == last){
last = null;
first = null;
}else{
value = first.value;
first = first.next;
first.prev.next = null;
first.prev = null;
}
--size;
return value;
}
// 获取队头元素---获取链表中第一个节点的值域
public int peek(){
if(first == null){
return null;
}
return first.value;
}
public int size() {
return size;
}
public boolean isEmpty(){
return first == null;
}
}2.4 双端队列
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。
cpp
Deque<Integer> d1 = new ArrayDeque<>();
Deque<Integer> d2 = new LinkedList<>();习题:用队列模拟栈
cpp
class MyStack {
Queue<Integer> qu1;
Queue<Integer> qu2;
public MyStack() {
qu1 = new LinkedList<>();
qu2 = new LinkedList<>();
}
public void push(int x) {
if(!qu1.isEmpty()){
qu1.offer(x);
}
else if(!qu2.isEmpty()){
qu2.offer(x);
}
else{
qu1.offer(x);
}
}
public int pop() {
if(empty()){
return -1;
}
if(!qu1.isEmpty()){
int size = qu1.size();
for(int i = 0;i<size-1;i++){
int x = qu1.poll();
qu2.offer(x);
}
return qu1.poll();
}
else{
int size = qu2.size();
for(int i= 0; i<size-1 ; i++){
int x = qu2.poll();
qu1.offer(x);
}
return qu2.poll();
}
}
//
public int top() {
if(empty()){
return -1;
}
if(!qu1.isEmpty()){
int size = qu1.size();
int x =-1;
for(int i = 0;i<size ;i++){
x = qu1.poll();
qu2.offer(x);
}
return x;
}
else{
int size = qu2.size();
int x = -1;
for(int i= 0; i<size ; i++){
x = qu2.poll();
qu1.offer(x);
}
return x;
}
}
//
public boolean empty() {
return qu1.isEmpty() && qu2.isEmpty();
}
}