数据结构与算法之路-4（栈和队列）

栈

一、什么是栈
1.后进者先出，先进者后出，这就是典型的“栈”结构。
2.从栈的操作特性来看，是一种“操作受限”的线性表，只允许在端插入和删除数据，其操作特性用数组和链表均可实现。
3.任何数据结构都是对特定应用场景的抽象，数组和链表虽然使用起来更加灵活，但却暴露了几乎所有的操作，难免会引发错误操作的风险。
4.当某个数据集合只涉及在某端插入和删除数据，且满足后进者先出，先进者后出的操作特性时，我们应该首选栈这种数据结构。

二、栈的应用
1.栈在函数调用中的应用
操作系统给每个线程分配了一块独立的内存空间，这块内存被组织成“栈”这种结构，用来存储函数调用时的临时变量。每进入一个函数，就会将其中的临时变量作为栈帧入栈，当被调用函数执行完成，返回之后，将这个函数对应的栈帧出栈。
2.栈在表达式求值中的应用（比如：34+13*9+44-12/3）
利用两个栈，其中一个用来保存操作数，另一个用来保存运算符。我们从左向右遍历表达式，当遇到数字，我们就直接压入操作数栈；当遇到运算符，就与运算符栈的栈顶元素进行比较，若比运算符栈顶元素优先级高，就将当前运算符压入栈，若比运算符栈顶元素的优先级低或者相同，从运算符栈中取出栈顶运算符，从操作数栈顶取出2个操作数，然后进行计算，把计算完的结果压入操作数栈，继续比较。
3.栈在括号匹配中的应用（比如：{}{()}）
用栈保存为匹配的左括号，从左到右一次扫描字符串，当扫描到左括号时，则将其压入栈中；当扫描到右括号时，从栈顶取出一个左括号，如果能匹配上，则继续扫描剩下的字符串。如果扫描过程中，遇到不能配对的右括号，或者栈中没有数据，则说明为非法格式。
当所有的括号都扫描完成之后，如果栈为空，则说明字符串为合法格式；否则，说明未匹配的左括号为非法格式。
4.如何实现浏览器的前进后退功能？
我们使用两个栈X和Y，我们把首次浏览的页面依次压如栈X，当点击后退按钮时，再依次从栈X中出栈，并将出栈的数据一次放入Y栈。当点击前进按钮时，我们依次从栈Y中取出数据，放入栈X中。当栈X中没有数据时，说明没有页面可以继续后退浏览了。当Y栈没有数据，那就说明没有页面可以点击前进浏览了。

	内存中的堆栈和数据结构堆栈不是一个概念，可以说内存中的堆栈是真实存在的物理区，数据结构中的堆栈是抽象的数据存储结构。
	内存空间在逻辑上分为三部分：代码区、静态数据区和动态数据区，动态数据区又分为栈区和堆区。
	代码区：存储方法体的二进制代码。高级调度（作业调度）、中级调度（内存调度）、低级调度（进程调度）控制代码区执行代码的切换。
	静态数据区：存储全局变量、静态变量、常量，常量包括final修饰的常量和String常量。系统自动分配和回收。
	栈区：存储运行方法的形参、局部变量、返回值。由系统自动分配和回收。
	堆区：new一个对象的引用或地址存储在栈区，指向该对象存储在堆区中的真实数据。

队列

一、什么是队列？
1.先进者先出，这就是典型的“队列”结构。
2.支持两个操作：入队，放一个数据到队尾；出队，从队头取一个元素。
3.和栈一样，队列也是一种操作受限的线性表。

二、队列有哪些常见的应用？
1.阻塞队列
1）在队列的基础上增加阻塞操作，就成了阻塞队列。
2）阻塞队列就是在队列为空的时候，从队头取数据会被阻塞，因为此时还没有数据可取，直到队列中有了数据才能返回；如果队列已经满了，那么插入数据的操作就会被阻塞，直到队列中有空闲位置后再插入数据，然后在返回。
3）从上面的定义可以看出这就是一个“生产者-消费者模型”。这种基于阻塞队列实现的“生产者-消费者模型”可以有效地协调生产和消费的速度。当“生产者”生产数据的速度过快，“消费者”来不及消费时，存储数据的队列很快就会满了，这时生产者就阻塞等待，直到“消费者”消费了数据，“生产者”才会被唤醒继续生产。不仅如此，基于阻塞队列，我们还可以通过协调“生产者”和“消费者”的个数，来提高数据处理效率，比如配置几个消费者，来应对一个生产者。
2.并发队列
1）在多线程的情况下，会有多个线程同时操作队列，这时就会存在线程安全问题。能够有效解决线程安全问题的队列就称为并发队列。
2）并发队列简单的实现就是在enqueue()、dequeue()方法上加锁，但是锁粒度大并发度会比较低，同一时刻仅允许一个存或取操作。
3）实际上，基于数组的循环队列利用CAS原子操作，可以实现非常高效的并发队列。这也是循环队列比链式队列应用更加广泛的原因。
3.线程池资源枯竭是的处理
在资源有限的场景，当没有空闲资源时，基本上都可以通过“队列”这种数据结构来实现请求排队。
— 队列实现—

public class ArrayQueue {
        //存储数据的数组
        private String[] items;
        //记录数组容量
        private int n;
        private int size;
        //head记录队头索引，tail记录队尾索引
        private int head = 0;
        private int tail = 0;

        //申请一个指定容量的队列
        public ArrayQueue(int capacity) {
            items = new String[capacity];
            n = capacity;
        }

        /*
         * 入队：
         * 1.堆满的时，入队失败
         * 1.1频繁出入队，造成数组使用不连续
         * 1.2在入队的时候，集中触发进行数据搬移
         * 2.在末尾插入数据，注意tail指向队尾元素的索引+1
         */
        public boolean enqueue(String item) {
//表示队满
            if (head == 0 && tail == n)
                return false;
//表示需要数据搬移
            else if (head != 0 && tail == n) {
                for (int i = head; i < tail; i++) {
                    items[i - head] = items[i];
                }
                head = 0;
                tail = tail - head;
            }
//将数据加入队列
            items[tail++] = item;
            size++;
            return true;
        }

        //出队：1.队空时，出队失败;2.出队，head索引+1
        public String dequeue() {
            String res = null;
            if (head == tail) return res;
            res = items[head++];
            size--;
            return res;
        }
    }

  //  二、循环队列

    public class LoopArrayQueue {
        //存储数据的数组
        private String[] items;
        //记录数组容量
        private int n;
        private int size = 0;
        //head记录队头索引，tail记录队尾索引
        private int head = 0;
        private int tail = 0;

        //申请一个指定容量的队列
        public LoopArrayQueue(int capacity) {
            items = new String[capacity];
            n = capacity;
        }

        //入队：关键在于队满的条件
        public boolean enqueue(String item) {
            if ((tail + 1) % n == head) return false;
            items[tail] = item;
            tail = (tail + 1) % n;
            size++;
            return true;
        }

        //出队：关键在于队空的条件
        public String dequeue() {
            String res = null;
            if (head == tail) return res;
            res = items[head];
            head = (head + 1) % n;
            size--;
            return res;
        }
    }

  //  三、链表实现

    public class LinkedQueue {
        //定义一个节点类
        private class Node {
            String value;
            Node next;
        }

        //记录队列元素个数
        private int size = 0;
        //head指向队头结点，tail指向队尾节点
        private Node head;
        private Node tail;

        //申请一个队列
        public LinkedQueue() {
        }

        //入队
        public boolean enqueue(String item) {
            Node newNode = new Node();
            newNode.value = item;
            if (size == 0) head = newNode;
            else tail.next = newNode;
            tail = newNode;
            size++;
            return true;
        }

        //出队
        public String dequeue() {
            String res = null;
            if (size == 0) return res;
            if (size == 1) tail = null;
            res = head.value;
            head = head.next;
            size--;
            return res;
        }
    }