数据结构入门：栈与队列详解

1. 栈(Stack)

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。

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

java 复制代码

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());
  }
}

栈的模拟实现

java 复制代码

public class MyStack {
  int[] array;
  int size;
  
  public MyStack(){
    array = new int[3];
  }
  
  public int push(int e){
    ensureCapacity();
    array[size++] = e;
    return e;
  }
  //拿出栈顶元素
  public int pop(){
    int e = peek();
    size--;
    return e;
  }
  //获取栈顶元素
  public int peek(){
    if(empty()){
      throw new RuntimeException("栈为空，无法获取栈顶元素");
    } 
    return array[size-1];
  }
  //栈中放了多少元素
  public int size(){
    return size;
  }
  //检测栈是否为空
  public boolean empty(){
     return 0 == size;
  }
  //判断栈的空间是否满，满了扩容
  private void ensureCapacity(){
    if(size == array.length){
      array = Arrays.copyOf(array, size*2);
    }
  }
}

2. 队列(Queue)

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(FirstIn 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）

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
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。

java 复制代码

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());
  }
}

队列模拟实现

java 复制代码

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;
  }
}

循环队列

环形队列通常使用数组实现。

数组下标循环的小技巧

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

通过添加 size 属性记录
保留一个位置
使用标记

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

java 复制代码

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现
Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现