数据结构——栈和队列

一、栈 (Stack)

栈是一种后进先出(LIFO, Last In First Out)的线性数据结构，只允许在一端进行插入和删除操作，这一端被称为栈顶(top)，另一端称为栈底(bottom)。

1、基本操作

isFull(判断栈满)：判断栈是否满
isEmpty(判断栈空)：判断栈是否为空
push(入栈)：将元素压入栈顶
pop(出栈)：移除并返回栈顶元素
peek(查看栈顶)：返回但不移除栈顶元素
size(大小)：返回栈中元素数量

2、实现方式

数组实现：使用固定大小或动态扩容的数组
链表实现：使用单链表，头节点作为栈顶

3、应用场景

函数调用栈：程序执行时保存函数调用关系
表达式求值：处理括号匹配、后缀表达式
撤销操作：如文本编辑器的撤销功能
浏览器历史记录：前进后退功能
递归实现：递归函数调用转换为迭代实现
深度优先搜索（DFS）算法

二、队列 (Queue)

队列是一种先进先出(FIFO, First In First Out)的线性数据结构，允许在一端(队尾/rear)插入元素，在另一端(队头/front)删除元素。

1、基本操作

isFull(判断队满)：判断队列是否满
isEmpty(判断队空)：判断队列是否为空
add(入队)：在队尾添加元素
remove(出队)：移除并返回队头元素
front(查看队头)：返回但不移除队头元素
size(大小)：返回队列中元素数量

2、实现方式

数组实现：使用循环数组解决空间浪费问题
链表实现：使用单链表，头节点作为队头，尾节点作为队尾

3、队列扩展

双端队列(Deque)：两端都可以进行插入和删除操作
优先队列(Priority Queue)：元素按优先级出队
循环队列(Circular Queue)：利用数组实现的高效队列
阻塞队列(Blocking Queue)：线程安全的队列实现

4、应用场景

任务调度：CPU任务调度
消息队列：系统间异步通信
打印队列：打印机任务管理
广度优先搜索（BFS）算法：图的广度优先搜索
缓存系统：如Redis等内存数据库
客服中心的来电处理

三、栈和队列的比较

特性	栈	队列
访问顺序	LIFO(后进先出)	FIFO(先进先出)
操作端	仅栈顶	队头出，队尾入
典型应用	函数调用、表达式求值	任务调度、消息队列
典型实现	数组或链表	数组或链表
空间效率	通常更高效	可能需要更多空间
线程安全	通常更容易实现	需要考虑更多并发情况

四、代码示例（Java实现）

1、Java实现栈

java 复制代码

public class Stack {

	private int[] arr=new int[5];
//	栈顶
	private int top=-1;
//	判断栈满
	public boolean isFull() {
		return top==arr.length-1;
	}
//	判断栈空
	public boolean isEmpty() {
		return top==-1;
	}
	
//	入栈
	public void push(int num) {
		if(isFull()) {
			System.out.println("栈满");
			return;
		}
		top++;
		arr[top]=num;
	}
	
//	出栈
	public int pop() {
		if(isEmpty()) {
			System.out.println("栈空");
			throw new RuntimeException("栈空");
		}
		int res=arr[top];
		top--;
		return res;
	}	
}

2、Java实现队列

java 复制代码

public class Queue {

	private int[] arr=new int[5];
	private int front=-1;
	private int rear=-1;
	
//	队满
	public boolean isFull() {
		return rear==arr.length-1;
	}
//	队空
	public boolean isEmpty() {
		return rear==front;
	}
//	入队
	public void add(int value) {
		if(isFull()) {
			System.out.println("队满");
			return;
		}
		rear++;
		arr[rear]=value;
	}
//	出队
	public int remove() {
		if(isEmpty()) {
			System.out.println("队空");
			throw new RuntimeException("队空");
		}
		front++;
		return arr[front];
	}
}