栈 和 队列 【 Stack And Queue】- java - 细节决定一切

栈

什么是栈?

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。【反过来说：就是 先进后出】
 
从数据结构的角度来看，栈 就是一种数据结构。

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压栈 和 出栈

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。

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什么是java虚拟机栈？

Java 虚拟机 JVM 可分五个部分

方法区：存放类定义信息、字节码、常量等数据，在Sun HotSpot JVM中，这块也称为Perm Gen。
 
堆：创建的对象信息将放入堆中，堆内部如何实现各虚拟机各不相同，对于Sun HotSpot JVM来说又分为Young Gen和Tenured Gen，更详细描述参见《[Java性能剖析]Sun JVM内存管理和垃圾回收 》
 
Java栈：对于每个执行线程，会分配一个Java栈，JVM在执行过程当中，每执行一个方法，都会为方法在当前栈中增加一个栈帧，每个栈帧的信息与具体实现相关，但一般会由3部分组成：变量区，方法参数和本地变量会放入这个位置，大小是固定的，在进行方法时会先分配好，在类定义中，会由max local来指定这块区的大小；方法信息区，会包括当前类常量池的入口地址等信息，这块大小也是固定的；操作栈，与Intel体系架构中的运算使用寄存器来进行不一样，JVM的字节码的方法调用、运算等需要的参数，都是通过操作栈来传递的。在类定义中，会由max stack指定最大的操作栈。关于Java栈的更详细描述参见《Java 栈内存介绍 》
 
本地方法栈：对本地方法的调用，并不会使用Java栈而是使用本地方法栈，本地方法栈的组成取决于所使用的平台和操作系统.
 
PC寄存器/程序计数器：对于每个执行线程会分配一个PC寄存器，寄存器中存放当前字节码的执行位置

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什么是栈帧？

在调用函数的时候，我们会为这个函数在java虚拟机栈中开辟一块内存，叫做栈帧。可参考这篇c语言的文章函数栈帧销毁与创建来理解栈帧。

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栈的使用

1.考入栈 和 出栈的顺序

实战题 1

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实战题 2

答案为 c，自行推导。【提示：c答案中 出栈序列 m 拿不到，被x挡住了】

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中缀表达式 转 后缀表达式【前缀暂时不涉及】

中缀 和 后缀 表达式的表现形式

中缀表达式：其实大家都是知道的！就是我们平常使用的： a + b、a - c、a * b、a/b。
还可以加括号 (5 + 4) * 3 - 2。这些都是中缀表达式。

 
后缀表达式：就拿中缀的式子【(5 + 4) * 3 - 2】来说，它的后缀表达式为 54+ 3 * 2 -
再来看一个 a + b * c ，这个中缀表达式转换成 后缀表达式为 abc*+

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中缀转后缀 和 中缀转前缀 的方法

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实战题 - LeetCode - 150. 逆波兰表达式求值

这题就是让我们去求 后缀表达式的结果。【逆波兰表达式 就是 后缀表达式 的别称】

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解题思维

思维是这样的： 如果 i 下标的元素 是 数字，直接入栈。当 i 遍历到 运算符时，将前面 入栈的数字 拿出来进行对应运算，再将其结果入栈。以此类推！

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在看代码之前，我们需要知道 栈 Stack ，该怎么样创建，具有什么功能。

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进入 栈Stack 类，按下 alt + 7

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Stack 功能测试

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另外，栈 Stack 类 继承了 Vector 类，而Vectoc 类，又实现了一些接口功能。那么，就意味着：我们Stack 可以调用的方法不止本身的那些功能，还可以调用 它 所继承的类 和 接口 的 一些方法 和 属性。

Ctrl + 左键 进入 Vector

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简略图

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LeetCode - 150. 逆波兰表达式求值 - 代码如下

class Solution {
    public int evalRPN(String[] tokens) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        for(int i = 0; i <tokens.length;i++){
            String str = tokens[i];//获取下标为 i 字符串元素
            if(isOperator(str)){// 如果 str 是运算符 为 true，否则为false
                int num2 = stack.pop();// 获取 栈顶 的 两个数字数据（出栈）
                int num1 = stack.pop();
                switch(str){// 判断 str 具体是 哪一个字符串，就执行对应的运算，并将其结果入栈
                    case "+":
                        stack.push(num1 + num2);
                        break;
                    case "-":
                        stack.push(num1 - num2);
                        break;
                    case "*":
                        stack.push(num1 * num2);
                        break;
                    case "/":
                        stack.push(num1 / num2);
                        break;
                }
            }else{// 将 数字字符转换成 整形数据 存入 栈中
                stack.push(Integer.parseInt(str));
            }
        }
        return stack.pop();// 返回/出栈   最终存入栈中的结果
    }
    public boolean isOperator(String s){// 判断 str 是运算符 返回 true；否则，返回 false
        if(s.equals("+") || s.equals("-")|| s.equals("*") || s.equals("/")){
            return true;
        }
        return false;
    }
}

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实战题 - 题霸 - JZ31 栈的压入、弹出序列

题目

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题目解析

这就我们前面所讲的 不可能出栈序列那两个选择题。【忘了可以在翻上去看看】

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解题思维 - 双指针遍历

定义两个整形指针 p1 和 p2【初始值为0】，分别指向 输入的两个数组 pushA 和 popA

我们想法：将 i 指向的元素入栈、入栈后，i++。直到 栈顶的数据 与 出栈序列 j 的指向相等，我们将其出栈。【题目要求是：入栈序列 出栈的时候，能不能按照出栈序列的顺序进行出栈。再根据栈的特性：出栈，只能出栈栈顶数据。所以，肯定是判断栈顶数据的！】。
然后， j++，开始判断下一个。
如果 栈顶的数据 与 出栈序列 j 指向的元素不相等。则继续 将 i 指向的数据入栈。直到 栈顶的数据 与 出栈序列 j 的指向相等，我们将其出栈。
重复此操作，直到 i 遍历完 pushA数组。
如果： 入栈数组 出栈效果 可以达到 出栈数组的效果，栈里面应该是为 空的。

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代码如下

import java.util.*;

public class Solution {
    public boolean IsPopOrder(int [] pushA,int [] popA) {
      Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        for(int i = 0, j = 0;i < pushA.length;i++){
            stack.push(pushA[i]);
            while(!stack.isEmpty() && j < popA.length && stack.peek() == popA[j]){
                j++;
                stack.pop();
            }
        }
        return stack.isEmpty();

    }
}

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模拟实现栈 - 数组实现

准备工作

首先，我们需要参考一个 栈Stack 的原码，观察它所具有的方法 和 属性。

由此，得出结论：Stack 底层 也可以说是一个数组。

然后，就是数句的入栈了。
但是！我们需要注意：
     数组的容量假设为5。但是，我只入栈一个数据，它该怎么知道 栈内 存储数据个数。
那么，我们就肯定需要一个 usedSize【初始值为0】 来记录 存入的数据个数。存入一个（usedSize++）.
而且！ 我们还可以通过它 来进行 入栈。
这么来想：当还没有存入 数据时，usedSize 为 0。此时，我们要入栈一个数据，我们 直接 elements[usedSize] = data。 然后，usedSize++：【细品一下：在将原先的数据“入栈”到对应的位置后，usedSize再加加。是不是记录了入栈的元素个数，又为下一次入栈的数据，指定好了位置】

之后，就是构造一个 Stack 的 构造方法。【将底层数组初始容量定为5】

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现在开始实现栈的功能

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push 入栈 功能

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pop 出栈功能 - empty 功能

先来看一下 Stack(栈) 是怎么实现的。

注意！此时，我们的栈是利用数组来实现了。

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peek 方法

peek 方法只是获取栈顶元素，并不涉及删除。所以，usedSize 就不用再减减了

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模拟 Stack（栈） 总程序附图

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主程序

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效果图

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模拟实现栈 - 链表实现

这里，我直接上代码，附上一张图解。有兴趣的可以自行琢磨

单向链表 + 头插

class Node{
    int val;
    Node next;
    public Node(){}

    public Node(int val,Node node){
        this.val = val;
        this.next = node;
    }

}

public class MyStackLinked {
    Node head;// 头节点 : 标记栈顶

    public void push(int x){
        Node node = new Node(x,head);
            this.head = node;
    }

    public int pop(){
        if(isEmpty()){
            throw  new RuntimeException("栈为空");
        }
        int oldVal = this.head.val;
        head = head.next;
        return oldVal;
    }
    public boolean isEmpty(){
        return this.head == null;
    }

    public int peek(){
        if(isEmpty()){
            throw  new RuntimeException("栈为空");
        }
        return head.val;
    }
}

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双向链表 + 尾插

class DoubleNode{
    int val;
//    DoubleNode next;// next 用不到，加不加都不影响效果
    DoubleNode prev;
    public DoubleNode(int val,DoubleNode prev){
        this.val =val;
        this.prev = prev;
    }
}

public class MyStackDoubleLinked {
//    DoubleNode head; 头节点 用不到
    DoubleNode tail;

    public void push(int x){
        if(tail == null){
            tail = new DoubleNode(x,tail);
        }else{
            DoubleNode node = new DoubleNode(x,tail);
//            tail.next = node; 如果你还是加 next，这一步我给你准备好了
            tail = node;
        }
    }

    public int pop(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException(" 栈为空 ");
        }
        int oldVal = tail.val;
        tail = tail.prev;
        return oldVal;
    }
    public  boolean isEmpty(){
        return tail == null;
    }

    public int peek(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException(" 栈为空 ");
        }
        return tail.val;
    }
}

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&ens;

栈的面试题

LeetCode - 20. 有效的括号

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解题思维

这道题跟前面 逆序波兰表达式，做法思维是相同的。
遍历 字符串，当我们 遇到 ’ ( ’ 、’ [ ‘、’ { ’ 的 时候，我们就将它入栈。
随后，继续便来字符串。直到遇到 ’ ) ‘、’ ] ‘、’ } '。我们就去判断栈顶的数据 是不是 它们对应的做符号。如果是：出栈（将栈顶数据出栈，表示这对括号有效）。反之，如果不是：直接返回 false。【因为这个乱入的符号导致整个字符串的符号无法匹配】。再或者：遍历完了字符串，栈里面还存储的左符号，没有右符号匹配了，直接返回false;
之所以说与逆波兰表达式那题相同，就是遇到了特定字符需要进行相应的操作，返回值还是需要根据 栈的内部情况决定【空为ture，否则为 false（为 true，说明字符串里面的括号都是有效的）】

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代码如下

class Solution {
    public boolean isValid(String s) {
        Stack<Character> stack = new Stack<>();
        for(int i = 0;i < s.length();i++){
            char ch = s.charAt(i);
            if(ch == '(' || ch == '[' || ch == '{'){
                stack.push(ch);
            }else{
                if(stack.isEmpty()){
                    return false;
                }
                char top = stack.peek();
                if(top == '(' && ch == ')'){
                    stack.pop();
                }else if(top == '[' && ch == ']'){
                    stack.pop();
                }else if(top == '{' && ch == '}'){
                    stack.pop();
                }else{
                    return false;
                }
            }
        }
        return stack.isEmpty();
    }
}

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155. 最小栈

这题大概是这么个意思：要求我们实现一个栈，能以时间复杂度O(1)，找到栈中最小的元素。
其中 top ，其实就是 peek方法：查看栈顶数据。

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解题思维

首先，我们需要明白一个问题：能以时间复杂度O(1)，找到栈中最小的元素是不可能的。
因为需要再遍历数组一遍，才能确定最小值。时间复杂度达到O(N)…
那么，既然一个不行，那我两个！
来看我怎么做：

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代码如下

class MinStack {
    private Stack<Integer> stack;
    private Stack<Integer> stackMin;
    public MinStack() {
        stack = new Stack<>();
        stackMin = new Stack<>();
    }
    //入栈
    public void push(int val) {
        stack.push(val);
        if(stackMin.isEmpty()){
            stackMin.push(val);
        }else{
            if(val <= stackMin.peek()){
                stackMin.push(val);
            }
        }

    }
    // 出栈
    public void pop() {
        if(!stack.isEmpty()){
            int val = stack.pop();
            if(val == stackMin.peek()){
                stackMin.pop();
            }
        }

    }
    // 等价于 peek方法
    public int top() {
        return stack.peek();

    }
    // 和获取 目前 Stack 栈中最小值
    public int getMin() {
        return stackMin.peek();
    }
}

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队列

普通队列【queue】：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(First In 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。
双端队列【deque】： 出队 和 入队，则没有像普通队列那样的限制。 无论是 队头 还是 队尾，都可以出入队。

看过上面的图，我们 可以知道 双向队列，可以用来实现 栈 。因为队尾队头都可以入出对，也就是说肯定会有一个 标识 队头 和 队尾的属性，我们就可以通过这个来用队列 实现 栈 。（这个deque 会有相对应的功能 可以用来实现 栈，可以参考下方的 deque 功能展示）
再来看看 集合框架背后的数据结构图。

当然也可以 直接通过 LinkedList 实现类 来 new LinkedList 对象。因为 LInkedList 类 实现了 deque 和 queue。再加上它自身的功能，说明LinkedList 的功能 只会 更多。

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queue【队列】 和 deque【双端队列】所具有的功能

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普通队列 queue 基础功能实践

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普通队列 queue 基础功能 分析 与 区别

add 和 offer 入栈方法的区别

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peek 和 element 返回队顶数据 方法的区别

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poll 和 remove 出队方法的区别

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总结

错误处理	抛出异常	返回特殊值
入队列	add(e)	offer(e) : false
出队列	remove()	poll() : null
队首元素	element()	peek() : null

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双端队列【deque】的基础功能演示

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功能细节

讲这个是为了表明一个点：如果只是一些简单的方法，可以通过接口去引用。不用直接去new 实现类

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总结

特殊值返回值 和 异常，跟上的普通队列返回值是一样的。
返回特殊值的方法，都是最常用的方法。

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&ens;

总结

对于 LinkedList 来说：它不仅可以当作普通的队列、双端队列、双向链表，栈 来使用。
对于 LinkedList 来说，它有一项比较尴尬的功能 addIndex 给 某个下标添加一个元素

要知道，链表是没有下标的！
由此引申出 一个问题 ：
顺序表 和 链表 的区别是什么？
ArrrayList 和 LinkedList 的区别是什么？（这个问的最多）
解答：
1、从共性出发：增删查改
【ArrrayList支持 随机 访问，LinkedList不支持。因为链表没有下标】
【 LinkedList 删除和添加元素 时间复杂 ArrrayList 要比 低，因为 不需要像顺序表做整体的位移。】
2、 从内存的逻辑出发
【ArrrayList 是一个顺序存储(底层为一个数组) ，内存 在 理论 和 物理上 都是 连续的】
【 LinkedList 是一个链式存储(由一个个节点连接而成)，内存在理论上是连续的，在物理上不是连续的（因为不可能说每次new的节点，都是和原来的节点是紧挨着的！因为 new 对象，它是哪里有位置，它new哪里，没有规律的）】

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模拟实现 普通队列（Queue） - 单链表实现。

需要考虑的一点就是 哪边当队头，哪边当队尾？

当然，你可以用双向链表来实现，那就很简单了！！！ 所以我们这里才使用 单向链表实现

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代码如下

主程序1

public class TestDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyQueue myQueue = new MyQueue();
        myQueue.offer(1);// 入队
        myQueue.offer(2);
        // 出队
        try{
            System.out.println(myQueue.poll().val);// 1
        }catch (NullPointerException e){
            e.printStackTrace();
            System.out.println("队列为空 【poll】");
        }
        // 返回头数据
        try {
            System.out.println(myQueue.peek().val);// 2
        }catch (NullPointerException e){
            e.printStackTrace();
            System.out.println("队列为空【peek】");
        }
    }
}

附图

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主程序2

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队列实现

public class MyQueue {
    Node head;// 队头
    Node tail;// 队尾

    public void offer(int x){
        if(head == null){// 第一次入队
            head = new Node(x);
            tail = head;
        }else{// 从队尾 入队
            tail.next =  new Node(x);
            this.tail = this.tail.next;
        }
    }

    public Node poll(){
        if(head == null){// 队列为 空，返回 null
            return head;
        }
        Node node = head;
        this.head = head.next;
        return node;// 返回删除的头
    }

    public Node peek(){
        return head;
    }

}

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循环队列

实际中我们有时还会使用一种队列 叫 循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型时可以就会使用循环队列。
环形队列通常使用数组实现。

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队列面试题

LeetCode - 622. 设计循环队列

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解题思维 与 步骤 - 使用第三种判断循环队列的方法

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代码如下

class MyCircularQueue {
    int[] elements;
    int front;
    int rear;
    public MyCircularQueue(int k) {
        elements = new int[k+ 1];
    }
    
    public boolean enQueue(int value) {
        if(isFull()){
            return false;
        }
        elements[rear] = value;
        rear = (rear+1)%elements.length;
        return true;
    }
    
    public boolean deQueue() {
        if(isEmpty()){
            return false;
        }
        front = (front+1)%elements.length;
        return true;
    }
    
    public int Front() {
        if(isEmpty()){
            return -1;
        }
        return elements[front];
    }
    
    public int Rear() {
        if(isEmpty()){
            return -1;
        }
        int index = 0;
        if(rear == 0){
            index = elements.length - 1;
        }else{
            index = rear - 1;
        }
        return elements[index];
    }
    
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }
    
    public boolean isFull() {
        if((rear+1)%elements.length == front){
            return true;
        }
        return false;
    }
}

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LeetCode - 232. 用栈实现队列

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解题思维

很简单， 栈 的特性是：先进后出。也就是说第一个入栈的数据，将是最后一个出栈，
我们利用两个栈来实现这题。

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代码如下

class MyQueue {
    Stack<Integer> stack1;
    Stack<Integer> stack2;
    public MyQueue() {
        stack1 = new Stack<>();
        stack2 = new Stack<>();
    }
    
    public void push(int x) {
        stack1.push(x);
    }
    
    public int pop() {
        if(stack2.isEmpty()){
            while(!stack1.isEmpty()){
                stack2.push(stack1.pop());
            }
        }
        return stack2.pop();
    }
    
    public int peek() {
    // 防止 别人一开始 就调用 peek，所以 peek 也需要 写 stack1 导入 stack2 的程序
        if(stack2.isEmpty()){
            while(!stack1.isEmpty()){
                stack2.push(stack1.pop());
            }
        }
        return stack2.peek();
    }
    
    public boolean empty() {// 如果模拟的队列 将全部数据出队，那么 stack1 和 stack2 都为空
        return stack1.isEmpty() && stack2.isEmpty();
    }
}

本文至此结束。