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文章目录
- 栈和队列知识体系全梳理：从基础到实战一站式通关✨
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- 文章摘要
- 一、基础筑基：栈和队列的核心概念
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- [1. 栈（Stack）：后进先出（LIFO）](#1. 栈（Stack）：后进先出（LIFO）)
- [2. 队列（Queue）：先进先出（FIFO）](#2. 队列（Queue）：先进先出（FIFO）)
- [3. 栈与队列的本质区别](#3. 栈与队列的本质区别)
- 二、实现篇：栈和队列的两种实现方式
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- [1. 栈的实现](#1. 栈的实现)
- [2. 队列的实现](#2. 队列的实现)
- [3. 实现方式选择建议](#3. 实现方式选择建议)
- 三、核心应用：栈和队列的典型使用场景
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- [1. 栈的核心应用](#1. 栈的核心应用)
- [2. 队列的核心应用](#2. 队列的核心应用)
- 四、实战篇：栈和队列经典OJ题分类总结
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- [1. 栈的经典OJ题](#1. 栈的经典OJ题)
- [2. 队列的经典OJ题](#2. 队列的经典OJ题)
- [3. 栈和队列的互实现问题](#3. 栈和队列的互实现问题)
- 五、学习建议与总结
栈和队列知识体系全梳理：从基础到实战一站式通关✨
你好！各位CSDN的小伙伴们～ 栈和队列作为两种经典的线性结构变种 ，看似简单，却是数据结构与算法领域的基础，更是面试中的高频考点。它们的核心区别在于数据的存取顺序，广泛应用于表达式求值、括号匹配、层序遍历等场景。今天这篇终章总结，将带大家一站式梳理栈和队列的完整知识体系，从基础概念到实现逻辑，从核心应用到经典OJ题，帮你彻底吃透栈和队列🚀
文章摘要
本文为数据结构系列栈与队列篇的终章总结，系统梳理栈和队列的完整知识体系。涵盖栈的后进先出、队列的先进先出核心特性，顺序表与链表两种实现方式的优劣对比。整合栈和队列的核心应用场景，分类总结表达式求值、括号匹配、层序遍历等经典OJ题解题思路与模板，助力读者构建系统化的知识框架，提升综合解题能力。
阅读时长 ：约15分钟
适用人群：数据结构初学者、算法刷题备考者、技术面试冲刺者
一、基础筑基：栈和队列的核心概念
栈和队列均为线性结构，本质是对线性表的存取操作进行限制 ，形成两种不同的逻辑结构，核心区别在于出入顺序。
1. 栈（Stack）：后进先出（LIFO）
- 核心定义 ：限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。表尾称为栈顶 ，表头称为栈底。
- 核心操作 ：
- 入栈（push）：在栈顶插入元素。
- 出栈（pop）：删除并返回栈顶元素。
- 取栈顶（top）：返回栈顶元素，不删除。
- 判空（empty）：判断栈是否为空。
- 核心特性 ：后进先出，最后入栈的元素最先出栈。
2. 队列（Queue）：先进先出（FIFO）
- 核心定义 ：限定仅在表尾进行插入操作，在表头进行删除操作的线性表。表尾称为队尾 ，表头称为队头。
- 核心操作 ：
- 入队（push）：在队尾插入元素。
- 出队（pop）：删除并返回队头元素。
- 取队头（front）：返回队头元素，不删除。
- 判空（empty）：判断队列是否为空。
- 核心特性 ：先进先出，最先入队的元素最先出队。
3. 栈与队列的本质区别
| 结构 | 核心特性 | 操作限制 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 栈 | 后进先出（LIFO） | 仅栈顶可操作 | 表达式求值、括号匹配、递归回溯 |
| 队列 | 先进先出（FIFO） | 队尾入、队头出 | 层序遍历、任务调度、消息队列 |
二、实现篇：栈和队列的两种实现方式
栈和队列均可通过顺序表（数组）和链表实现，两种方式各有优劣，需根据场景选择。
1. 栈的实现
- 顺序栈（数组实现） ：
- 优点：实现简单，存取速度快，缓存命中率高。
- 缺点：容量固定，扩容成本高。
- 核心设计：用数组存储元素，用一个变量
top记录栈顶下标（初始为-1）。
- 链栈（链表实现） ：
- 优点：容量动态扩展，无需考虑扩容。
- 缺点：额外的指针空间开销，存取速度稍慢。
- 核心设计：用链表存储元素，通常选择头插法实现入栈和出栈（时间复杂度O(1)）。
2. 队列的实现
- 顺序队列（数组实现） ：
- 问题：普通顺序队列会出现假溢出（队尾已满但队头有空位）。
- 优化：采用循环队列，通过取模运算实现数组的循环使用，解决假溢出问题。
- 核心设计：用数组存储元素，用
front记录队头下标，rear记录队尾下标的下一个位置，通过(rear + 1) % capacity == front判断队列满。
- 链队列（链表实现） ：
- 优点：容量动态扩展，无需考虑溢出。
- 核心设计：用双向链表存储元素，用
front指针指向队头，rear指针指向队尾，入队操作在队尾，出队操作在队头（时间复杂度O(1)）。
3. 实现方式选择建议
- 若场景中元素数量固定或可预估，优先选择顺序实现（栈用顺序栈，队列用循环队列）。
- 若场景中元素数量动态变化，优先选择链表实现（链栈、链队列）。
三、核心应用：栈和队列的典型使用场景
栈和队列的应用场景均围绕其核心特性展开，掌握这些场景能快速定位解题思路。
1. 栈的核心应用
- 表达式求值：如中缀表达式转后缀表达式（逆波兰表达式），利用栈处理运算符的优先级。
- 括号匹配：判断字符串中的括号是否合法匹配，遇到左括号入栈，遇到右括号则弹出栈顶左括号进行匹配。
- 递归回溯：将递归算法转换为非递归算法，利用栈模拟递归调用栈（如二叉树的非递归遍历）。
- 单调栈：解决数组中元素的下一个更大/更小元素问题，时间复杂度可优化至O(n)。
2. 队列的核心应用
- 二叉树的层序遍历：利用队列的先进先出特性，实现二叉树的广度优先遍历，一层一层访问节点。
- 任务调度：如操作系统中的进程调度、打印机的任务队列，按照先到先服务的原则处理任务。
- 滑动窗口：解决滑动窗口中的最大值/最小值问题，利用双端队列（deque）维护窗口内的候选元素。
- 消息队列：在分布式系统中，用于实现异步通信、流量削峰等功能。
四、实战篇：栈和队列经典OJ题分类总结
栈和队列的OJ题多为基础题，但容易考察细节，以下是高频考点的解题模板和思路。
1. 栈的经典OJ题
- 括号匹配问题（LeetCode 20） ：
- 解题思路：遍历字符串，左括号入栈，右括号则判断栈顶是否为对应的左括号，若匹配则出栈，否则返回false。遍历结束后，若栈为空则返回true，否则返回false。
- 核心技巧：利用栈的后进先出特性，处理嵌套的括号结构。
- 有效的括号字符串（LeetCode 678） ：
- 解题思路：使用两个栈，分别存储左括号和星号的下标，遍历字符串时进行匹配，最后检查剩余的左括号是否能被星号匹配。
- 核心技巧：星号可以作为左括号、右括号或空，需结合下标判断是否合法。
2. 队列的经典OJ题
- 二叉树的层序遍历（LeetCode 102） ：
- 解题思路：利用队列辅助，先将根节点入队，然后循环取出队头节点，访问该节点后将其左、右孩子入队，直到队列为空。
- 核心技巧：队列的先进先出特性，保证一层一层遍历。
- 用栈实现队列（LeetCode 232） ：
- 解题思路：使用两个栈，一个输入栈（用于入队），一个输出栈（用于出队）。出队时，若输出栈为空，则将输入栈的所有元素弹出并压入输出栈，然后从输出栈弹出元素。
- 核心技巧：利用两个栈的后进先出特性，模拟队列的先进先出特性。
3. 栈和队列的互实现问题
- 用栈实现队列 、用队列实现栈 是面试中的高频题，核心思路是用两个结构的特性相互模拟，需注意操作的时间复杂度优化。
五、学习建议与总结
- 理解核心特性：栈的后进先出和队列的先进先出是所有问题的核心，解题时首先考虑是否能利用这两个特性。
- 掌握实现细节：顺序栈的扩容、循环队列的判满与判空、链栈和链队列的指针操作，这些细节是面试中常考察的点。
- 多做实战练习：通过表达式求值、括号匹配、层序遍历等经典题目，加深对栈和队列的理解，总结解题模板。
- 关注进阶应用：单调栈、双端队列等进阶结构，是解决复杂问题的关键，需在掌握基础后进一步学习。
栈和队列作为基础数据结构，是学习后续高级数据结构和算法的基石。掌握它们的核心概念、实现方式和应用场景，不仅能应对算法面试，更能在实际开发中灵活运用。
希望这篇总结能帮助大家一站式通关栈和队列！如果觉得有帮助，欢迎点赞+收藏+关注，后续将持续更新数据结构与算法的相关内容～😜