java 队列与栈实现（链表与数组）

我们经常会问到java数据结构可以怎么实现，看过了算法之后得到很大启发，这里整理如下。

队列是一种先进先出(FIFO)的集合模型,而栈则是后进先出(LIFO)的集合模型，我们经常使用它们用来保存元素的相对顺序。Java中在java.util.LinkedList类中实现了关于队列和栈的实现，但是这是一个宽接口的例子，这里我们自己实现它以研究它的思路。

有两种基础可以用来实现：数组和链表

我们实现栈的基本要素如下：

int N 代表栈的容量

boolean isEmpty()用来判断栈是否为空

int size()返回栈的容量

void push()进栈操作，每次栈顶新增元素

T pop()出栈操作，由于出栈后栈中元素会得到释放，因此我们需要一个返回值纪录出栈元素以便操作。这里返回值为一个范型，可以把范型理解为占位符，即开始时不规定类型是什么，到后来用到时再定义，这里范型可以为任何类。

数组实现：

由于数组在初始化时必须设置存储容量，而我们并不知道我们的栈与队列需要多大的存储空间，因此我们对思路是在对元素进行进入操作时与容量大小进行比较，关键思路是如果超过了则对容量进行“扩容”，即复制一份数组并将原来那份废弃。在这里对元素使用率进行了判断，使其不回低于1/4.

public class StackInArray implements Iterable {

	private T[] a = (T[]) new Object[1];

	private int N = 0;

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

	public int size() {
		return N;
	}

	private void resize(int max) {
		T[] temp = (T[]) new Object[max];
		for (int i = 0; i < N; i++) {
			temp[i] = a[i];
		}
		a = temp;

	}

	public void push(T t) {
		if (N == a.length)
			resize(a.length << 1);//移位操作，相当于＊2，感觉更能理解扩容一倍的意思。
		a[N++] = t;
	}

	public T pop() {
		T t = a[--N];
		a[N] = null;
		if (N > 0 && N == a.length / 4)
			resize(a.length >> 1);
		return t;
	}

	@Override
	public Iterator iterator() {
		return new ArrayIterator();
	}

	private class ArrayIterator implements Iterator {

		private int i = N;

		@Override
		public boolean hasNext() {
			return i > 0;
		}

		@Override
		public T next() {
			return a[--i];
		}

	}

}

这里栈的基本元素为一个范型数组。这里新增了一个void resize(int max)方法用来对数组进行大小调整。

当我们进栈和出栈时，实际上是对数组中最后一个标记

看完了数组实现的栈我们接下来看由链表实现的栈，首先复习一下链表。

链表定义如下：链表时一种递归的数据结构，它或者为空，或者是指向一个结点的引用，该结点含有一个范型的元素和一个指向另一条链表的引用。

在java中，我们可以用一个嵌套类定义结点实现链表

	private class Node {
		T t;
		Node next;

	}

用链表实现的栈基本操作与用数组实现栈的操作一致，只不过我们这里用Node数据类型替代数组，因此在初始化的时候不需要定义栈的大小。

public class StackInChain implements Iterable {

	private Node first;// 栈顶
	private int N;// 容量

	private class Node {
		T t;
		Node next;

	}

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

	public int size() {
		return N;
	}

	public void push(T t) {
		Node oldFirst = first;
		first = new Node();
		first.t = t;
		first.next = oldFirst;
		N++;
	}
	
	public T pop(){
		T t=first.t;
		first=first.next;
		N--;
		return t;
	}

}

链表实现的栈思路很明显，每当push时就在头节点前新增一个节点，使其作为新的头节点，并使容量自增即可。出栈时将头节点向后移一位即可。

数据结构	优点	缺点
数组	通过索引可以直接访问任意元素	在初始化时就需要知道元素的数量
链表	使用的空间大小与元素数量正比	需要通过索引访问任意元素