【数据结构】堆栈、队列的原理及java实现

一、堆是一个运行时数据区，通过new等指令创建，不需要程序代码显式释放
<1>优点：
可动态分配内存大小，生存周期不必事先告诉编译器，Java垃圾回收自动回收不需要的数据；
<2>缺点：
运行时需动态分配内存，数据存取速度较慢。
如：

String str = new String(“abc”);
String str2 = new String(“abc”);

二、栈(stack)又名堆栈，它是一种先进后出(FILO)的线性表。其限制是仅允许在表的一端进行插入和删除运算。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素；从一个栈删除元素又称作出栈或退栈，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。
<1>优点：
存取速度比堆快，仅次于寄存器，栈数据可以共享；
<2>缺点：
存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。

String str = “abc”;
String str2 = “abc”;

表的含义如下图所示：

下面介绍两种栈的实现方式：
1.采用链表中节点的方式实现：

public class MyStackNode {

    Node top = null;

    public boolean isEmpty() {
        return top == null;
    }

    public void push(E data) {
        Node newNode = new Node(data);
        newNode.next = top;
        top = newNode;
    }

    public E pop() {
        if (this.isEmpty())
            return null;
        E data = top.data;
        top = top.next;
        return data;
    }

    public E peek() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return top.data;
    }
}

2.采用数组的方式实现：

public class MyStackArry<E> {
    private Object[] stack;
    private int size;

    public MyStackArry() {
        stack = new Object[10];
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    public E peek() {
        if (isEmpty())
            return null;
        return (E) stack[size - 1];// 如果有元素就返回最后一个
    }

    /**
     * 移除栈顶部元素移除
     * 
     * @return
     */
    public E pop() {
        E e = peek();// 保存最后一个元素的备份
        stack[size - 1] = null;// 给数组最后一个元素赋null
        size--;
        return e;
    }

    /**
     * 把项压入栈顶部
     * 
     * @param item
     * @return
     */
    public E push(E item) {
        ensureCapacity(size + 1);
        stack[size++] = item;
        return item;
    }

    /**
     * 检查容量是否足够，不够再原有的数组基础创建新的数组
     * 
     * @param size
     */
    public void ensureCapacity(int size) {
        int len = stack.length;
        if (size > len) {
            // int newLen = 10;
            // stack = Arrays.copyOf(stack, newLen);
            // 如果栈满，则创建空间为当前栈空间两倍的栈
            Object[] temp = stack;
            stack = new Object[2 * stack.length];
            System.arraycopy(temp, 0, stack, 0, temp.length);
        }
    }

    /**
     * 返回对象在堆栈中的位置，以1 为基数
     * 
     * @param o
     * @return
     */
    public int search(Object o) {
        int index = lastIndexOf(o);
        return index == -1 ? index : size - index;
    }

    /**
     * 查找下标的方法
     * 
     * @param o
     * @return
     */
    private int lastIndexOf(Object o) {
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyStackException(); // 如果数组为空，就抛出一个自定义异常
        }
        // 当传进来的元素为空时
        if (o == null) {
            for (int i = size - 1; i >= 0; i--) {
                if (stack[i] == null) {
                    return i;
                }
            }
            // 不为空时
        } else {
            for (int i = size - 1; i >= 0; i--) {
                if (o.equals(stack[i])) {
                    return i;
                }
            }
        }
        return -1; // 没有找到，返回-1
    }

    // 自定义异常
    private static class EmptyStackException extends RuntimeException {
        public EmptyStackException() {
            super("堆栈为空");
        }
    }

三、队列 是一种先进先出的线性表。其限制仅在表的一端（尾端）进行插入，另一端（首端）进行删除的线性表，先进先出FIFO。

Quene类尚不在java集合框架中，因此它有很大的灵活性，为了能够进行代码重用，我们试着通过继承（is-a关系）或者合成（have-a关系）一些实现了List接口的类来定义Queue类。直观的选择是ArrayList和LinkedList。
1.第一种实现方式：LinkedList插入删除效率比较高，可以实现队列的尾部插入和头部删除只需常量次调用，我们首先选择LinkedList来实现Queue。
这里我们采用采用合成（have-a关系）的方法，通过包含一个LinkedList字段来定义一个Queue类。
实现方式如下：

public class MyQueueLink {
    private LinkedList list;

    public MyQueueLink() {
        list = new LinkedList();
    }
   //入队
    public  void put(E e) {
        list.addLast(e);
    }
   //出队
    public  E pop() {
        return list.removeFirst();
    }

    public  boolean isEmpty() {
        return list.isEmpty();
    }

    public  int size() {
        return list.size();
    }
   //获得队列的第一个元素
    public  E front() {
        return list.getFirst();
    }
}

2.第二种可选择的实现方式，用数组的方式实现

public class MyQueneArry {
    protected Object[] data;
    protected int size, head, tail;

    public MyQueneArry() {
        final int INTTIAN_LENGTH = 100;
        data = new Object[INTTIAN_LENGTH];
        size = 0;
        head = 0;
        tail = -1;
    }

    public int size() {
        return size;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    public Object front() {
        if (size == 0)
            throw new NoSuchElementException();
        return data[head];
    }
//入队
    public void enquene(Object element) {
        if (size == data.length) {
            Object[] oldData = data;
            data = new Object[data.length * 2];
            System.arraycopy(oldData, head, data, 0, oldData.length - head);
            if (head > 0)
                System.arraycopy(oldData, 0, data, head + 1, tail - 1);
            head = 0;
            tail = oldData.length - 1;
        }
        tail = (tail + 1) % data.length;
        size++;
        data[tail] = element;
    }
//出队
    public Object dequene() {
        if (size == 0)
            throw new NoSuchElementException();
        Object element = data[head];
        head = (head + 1) % data.length;
        return element;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyQueneArry q = new MyQueneArry();
        for (int i = 0; i < 18; i++) {
            q.enquene(i);
        }
        System.out.println("队列长度：" + q.size());
        System.out.println("队列首元素：" + q.dequene());
        System.out.println("队列首元素：" + q.dequene());
    }
}