java算法day9

  • 232.用栈实现队列
    1. 用队列实现栈
    1. 有效的括号
    1. 删除字符串中的所有相邻重复项
    1. 逆波兰表达式求值

解决栈和队列的基本数据结构

Queue(队列)

在java中是一个接口。定义的方法:

java 复制代码
//boolean add(E e): 将指定的元素插入此队列(如果立即可行且不会违反容量限制),在成功时返回 true,如果当前没有可用的空间,则抛出 IllegalStateException。
//E remove():获取并移除 此队列的 头 。
//E element() :获取 ,但是不移除此队列的 头 。

//boolean offer(E e):将指定的元素 插入 此队列(如果立即可行且不会违反容量限制),当使用有容量限制的队列时,此方法通常要优于 add(E),后者可能无法插入元素,而只是抛出一个异常。
//E poll():获取并移除 此队列的头,如果此队列为空,则返回 null。
//E peek(): 获取但不移除此队列的头;如果此队列为空,则返回 null。

在极端情况下,两组API的表现不一致。极端情况指的是 一组是抛异常,一组是返回特殊值

  • 插入的时候,队列满了
  • 删除或者获取的时候,队列空了。

Deque

是个Queue的子接口,是java里面的双端队列。

Deque特点:

  1. Deque是Queue的子接口
  2. 数据结构表现:队列,栈,双端队列
  3. 存储元素有序
  4. 可存储重复元素
  5. 不能存储null(LinkedList除外)

Deque可以说非常的万能,能模拟很多数据结构,下面就是他能模拟的数据结构。

java 复制代码
// ------------- 作为Queue的
//        E peek(): 获取队头元素,但不移除它
//        E poll():从队头移除元素
//        boolean offer(E e): 添加一个元素到 队尾

// ------------- 作为Stack的
//        E pop(): 从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素。
//        void push(E e): 将元素推入此列表所表示的堆栈。

// ------------- 作为双端队列
//        boolean offerFirst(E e):  从 第一个位置 插入 指定元素
//        boolean offerLast(E e): 从 最后一个位置 插入 指定元素
//        E peekFirst(): 获取 但是不移除 第一个元素,如果列表为空,返回null
//        E peekLast(): 获取 但是不移除 最后一个元素,如果列表为空,返回null
//        E pollFirst(): 从 第一个位置 移除 元素
//        E pollLast(): 从 最后一个位置 移除 元素,如果列表为空,返回null

// -------------- 作为普通List的
//    boolean add(E e):将指定元素添加到此列表的结尾。
//    E remove():获取并移除此列表的头(第一个元素)。

//        void addFirst(E e): 将指定元素插入此列表的开头。
//        void addLast(E e): 将指定元素添加到此列表的结尾。
//        E getFirst(): 返回此列表的第一个元素。
//        E getLast(): 返回此列表的最后一个元素。
//        E removeFirst(): 移除并返回此列表的第一个元素。
//        E removeLast(): 移除并返回此列表的最后一个元素。

// 这个API,大家觉得应不应该出现在Deque这个接口里面。 
//        boolean removeFirstOccurrence(Object o): 从此列表中移除第一次出现的指定元素
//        boolean removeLastOccurrence(Object o): 从列表中移除最后一次出现的指定元素
//        Iterator<E> descendingIterator():获取一个倒序的迭代器
//        E element():获取元素

他的特点:

实现类ArrayDeque

特点

  1. ArrayDeque是Deque的子实现
  2. 数据结构表现:队列,栈,双端队列
  3. 底层实现: 循环数组要理解一下循环数组的好处。
  4. 存储元素有序
  5. 存储元素可重复
  6. 不可存储null
    用法都是Deque的api。

现在解决栈和队列的问题基本上不会使用Stack而是推荐使用ArrayDeque。
主要原因:

1.性能问题,Stack继承Vector,而Vector是线程安全的,所以有额外的开销。

2.ArrayDeque提供更全面的功能,既能够用来作为栈,又可以作为队列使用

3.Stack现在被认为是过时了,现在一般用Deque来替代Stack。


实战中ArrayDeque怎么用

ArrayDeque 的主要方法

添加元素

addFirst(E e) / offerFirst(E e): 在前端添加元素

addLast(E e) / offerLast(E e): 在后端添加元素

add(E e) / offer(E e): 在后端添加元素(等同于 addLast/offerLast)

push(E e): 在前端添加元素(等同于 addFirst)

移除元素

removeFirst() / pollFirst(): 移除并返回前端元素

removeLast() / pollLast(): 移除并返回后端元素

remove() / poll(): 移除并返回前端元素(等同于 removeFirst/pollFirst)

pop(): 移除并返回前端元素(等同于 removeFirst)

查看元素(不移除):

getFirst() / peekFirst(): 返回前端元素

getLast() / peekLast(): 返回后端元素

peek(): 返回前端元素(等同于 peekFirst)

其他操作:

size(): 返回元素数量

isEmpty(): 检查是否为空

clear(): 清空所有元素

contains(Object o): 检查是否包含特定元素

算法题中的推荐用法:
当用作栈时

push(E e): 压栈

pop(): 出栈

peek(): 查看栈顶元素

isEmpty(): 检查栈是否为空

示例:

java 复制代码
Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();
stack.push(1);
int top = stack.pop();
int peek = stack.peek();

当用作队列时

offer(E e): 入队

poll(): 出队

peek(): 查看队首元素

isEmpty(): 检查队列是否为空

示例:

java 复制代码
Deque<Integer> queue = new ArrayDeque<>();
queue.offer(1);
int front = queue.poll();
int peek = queue.peek();

当用作双端队列时

offerFirst(E e) / offerLast(E e): 在前/后端添加元素

pollFirst() / pollLast(): 移除并返回前/后端元素

peekFirst() / peekLast(): 查看前/后端元素

isEmpty(): 检查是否为空

示例:

java 复制代码
Deque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();
deque.offerFirst(1);
deque.offerLast(2);
int front = deque.pollFirst();
int back = deque.pollLast();

推荐使用这些方法的原因:

它们在元素为 null 或双端队列为空时不会抛出异常,而是返回 null 或 false,这样可以简化错误处理。

这些方法名称清晰地表明了它们的用途和操作的位置 (前端或后端)。
它们与 Queue 和 Stack 接口的方法名称保持一致,使代码更易读和理解。

所以说ArrayDeque非常万能,当你在做题的时候如果要用到相关的数据结构,就按上面的流程来走。可以模拟队列,栈,双端队列。

232.用栈实现队列

题的本质:

后进先出 实现先进先出

凭我们对栈的理解,显然一个栈是不能完成这个任务的,所以解题思路是用两个栈来完成。

解题思路:

一个栈为入队栈,一个栈为出队栈。
出队的逻辑

当出队栈存在内容时,出队栈的栈顶,即为第一个出队的元素。

如果出队栈内无元素,此时又需要出栈,那么入队栈的所有元素逐个弹出装入出队栈,然后弹出栈顶元素即可。
入队的逻辑:直接装入入队栈。

当两个栈都空了,就表示队空了。

下面是模拟的过程

来看具体解法

java 复制代码
class MyQueue {
	//这是定义接口,然后初始化指定实现类的写法。一般比较推荐这种写法
    Deque<Integer> stOut,stIn;
    
	//指定实现类为ArrayDeque,因为比较万能
	//ArrayDeque可以用来模拟栈,由于需要两个栈,那就开两个ArrayDeque。
    public MyQueue() {
        stIn = new ArrayDeque<>();
        stOut = new ArrayDeque<>();
    }
    
    public void push(int x) {
        //push直接放入进队栈
        stIn.push(x);
    }
    
    public int pop() {
    //出队就从出队栈出,如果出队栈为空,那就要把入队栈中的元素依次弹出然后压入入队栈。自己模拟一下就懂了。
        if(stOut.isEmpty()){
            while(!stIn.isEmpty()){
                stOut.push(stIn.pop());
            }
        }
        return stOut.pop();
        
    }
    //直接用pop方法,接住了再放回去
    public int peek() {
        int res = this.pop();
        stOut.push(res);
        return res;
    }
    //出队栈和入队栈都没有元素,那就是空。
    public boolean empty() {
        return stIn.isEmpty() && stOut.isEmpty();
    }
}

225. 用队列实现栈

题意:用两个队列实现栈即,用两个前进迁出实现后进先出。
思路:

看完这个图就懂了

进栈逻辑

就是直接入队1。
出栈逻辑

把队1里面的元素全部倒出来,然后最后一个元素出队。然后倒出来的元素又逐个入队2。之后又把队2全部出队又进队1中。

java 复制代码
class MyStack {
    
    Deque<Integer> que1; // 和栈中保持一样元素的队列
    Deque<Integer> que2; // 辅助队列

    public MyStack() {
        que1 = new ArrayDeque<>();
        que2 = new ArrayDeque<>();
    }
    
    
    public void push(int x) {
        que1.offerLast(x);
    }
    
    
    public int pop() {
        int size = que1.size();
        size--;
        
        while (size-- > 0) {
            que2.offerLast(que1.peekFirst());
            que1.pollFirst();
        }

        int res = que1.pollFirst();
        
        que1 = que2;
        
        que2 = new ArrayDeque<>();
        return res;
    }
    
    
    public int top() {
        return que1.peekLast();
    }
    
    
    public boolean empty() {
        return que1.isEmpty();
    }
}

本题总结:这个题不难,对于我来说难的是不知道这么多api用哪个比较好,混用有没有风险。

因此这里做个总结:
队列(Queue)风格操作: 添加:offer(E e) 删除:poll() 查看:peek()

这组方法适合当你想要实现一个标准的队列(先进先出)时使用。它们在操作失败时不会抛出异常,而是返回特殊值。

双端队列(Deque)风格操作: 添加:offerFirst(E e), offerLast(E e) 删除:pollFirst(), pollLast() 查看:peekFirst(), peekLast()

当你需要在队列的两端进行操作时,这组方法很有用。它们也不会在操作失败时抛出异常。

抛出异常的操作: 添加:addFirst(E e), addLast(E e), add(E e) 删除:removeFirst(), removeLast(), remove() 查看:getFirst(), getLast()

这组方法在操作失败时会抛出异常(如 NoSuchElementException)。如果你希望立即捕获和处理异常,可以使用这组方法。

List风格操作: 添加:add(E e), add(int index, E element) 删除:remove(int index), remove(Object o) 查看:get(int index)

虽然 ArrayDeque 不是 List,但这些方法使其在某些情况下可以像 List 一样使用。

栈(Stack)风格操作: 添加:push(E e) (等同于 addFirst(E e)) 删除:pop() (等同于 removeFirst()) 查看:peek() (等同于 peekFirst())

当你使用 ArrayDeque 实现栈时,这组方法最为合适。

推荐的使用方式:

如果你在实现一个标准队列,使用 offer(), poll(), peek()。

如果你需要双端队列功能,使用 offerFirst(), offerLast(), pollFirst(), pollLast(), peekFirst(), peekLast()。

如果你在实现一个栈,使用 push(), pop(), peek()。

如果你希望操作失败时抛出异常,使用 add..., remove..., get... 系列方法。

记住,保持一致性是关键。选择一组方法后,尽量在整个实现中坚持使用这组方法,这样可以使你的代码更加清晰和易于理解。


20. 有效的括号

我的非常直观的写法:

java 复制代码
class Solution {
    public boolean isValid(String s) {
        Deque<Character> stack = new ArrayDeque<>();
        
        for (char c : s.toCharArray()) {
            if (c == '(' || c == '[' || c == '{') {
                // 如果是左括号,入栈
                stack.push(c);
            } else {
                // 如果是右括号
                if (stack.isEmpty()) {
                    // 如果栈为空,说明没有匹配的左括号,返回 false
                    return false;
                }
                
                // 检查栈顶元素是否匹配
                char top = stack.pop();
                if (c == ')' && top != '(') return false;
                if (c == ']' && top != '[') return false;
                if (c == '}' && top != '{') return false;
            }
        }
        
        // 最后检查栈是否为空,如果为空说明所有括号都匹配了
        return stack.isEmpty();
    }
}
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