【数据结构篇】线性表2 —— 栈和队列
前言：上一篇我们介绍了顺序表和链表
（https://blog.csdn.net/iiiiiihuang/article/details/132615465?spm=1001.2014.3001.5501），
这一篇我们将介绍栈和队列，栈和队列都是基于顺序表和链表来实现的
目录
栈（Stack）
什么是栈 ？
栈的方法 和 使用
栈的模拟实现
先初始化一下栈
往栈里插入元素 （push)
栈是否为空(empty)
弹出栈顶元素（删除）(pop)
获取栈顶元素 (peek)
模拟实现完整代码
栈的应用场景
1. 改变元素的序列
2. 将递归转化为循环
补充 ：
队列（Queue）
什么是队列 ？
队列的方法
队列模拟实现
初始化
offer
poll
peek
完整代码（链式队列）
循环队列
认识循环队列
如何把数组看作是一个循环呢？（rear 从 7 --> 0)
设计一个循环队列 （https://leetcode.cn/problems/design-circular-queue/）
初始化
判断队列是否是空的，和是否是满的
入队
出队
得到队头元素
得到队尾元素
完整代码： （循环队列）
双端队列 (Deque)
（面试题） 1. 用队列实现栈 2. 用栈实现队列
1. 用队列实现栈
代码实现：
入栈
出栈
获取栈顶元素
判断栈空
完整代码
2. 用栈实现队列
我直接上代码了：
栈（Stack）
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。
后进先出原则：先进的后出，后进的先出 。我们举一个生活中的例子
比如这有个圆筒，一端封闭，一端开口，然后往圆筒里放乒乓球：
你想拿乒乓球，先拿到的肯定是后放的，那如果你想要拿到最底下的，你肯定得把上面的都拿走才行。也就是 栈的后进先出原则 （先进的后出，后进的先出）
栈的方法 和 使用
栈的方法很少，只有这些：
使用 （没什么好说的）
栈的模拟实现
栈这种数据结构可以用数组来实现，也可以用链表来实现，这里我们用数组实现。
先初始化一下栈
往栈里插入元素 （push)
和顺序表异曲同工，先看看满没满，满了要扩容，再入栈
栈是否为空(empty)
弹出栈顶元素（删除）(pop)
就很简单 （顺序表那搞懂，这些方法很简单的）
获取栈顶元素 (peek)
模拟实现完整代码
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
/**
* @Author: iiiiiihuang
*/
public class MyStack {
private int[] elem;
private int usedSize;
private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//默认容积
public MyStack() {
this.elem = new int[DEFAULT_CAPACITY];
}
/**
* 往栈里插入元素
* @param val
*/
public void push(int val) {
isFull();
this.elem[usedSize] = val;
usedSize++;
}
private void isFull() {
if(usedSize == this.elem.length) {
this.elem = Arrays.copyOf(this.elem, 2*this.elem.length);
}
}
/**
* 弹出栈顶元素
* @return
*/
public int pop() {
if(empty()) {
throw new EmptyException("栈为空");
}
int pop = this.elem[usedSize - 1];
usedSize--;
return pop;
}
/**
* 获取栈顶元素
* @return
*/
public int peek() {
if(empty()) {
System.out.println("栈为空");
return 0;
}
int peek = this.elem[usedSize - 1];
return peek;
}
/**
* 栈是否为空
* @return
*/
public boolean empty() {
return usedSize == 0;
}
}栈的应用场景
1. 改变元素的序列
我们去牛客上找两道题做做
根据我们上面介绍，栈 遵循 先进后出原则， 我们可以得出答案，不可能的出栈顺序是 D 选项
因为F，E出来了，下一个出来的必须是 D，这种情况下C不可能比D先出。
2. 将递归转化为循环
比如逆序打印链表：
1.递归方法
2.循环方法
运行结果
补充 ：
用数组实现栈，出栈，入栈，都是O(1),
那用链表如何实现栈呢？
1.假设用单链表（单向）实现栈：
尾插：
入栈：尾插法 入栈是 O(n)
出栈：因为栈后进的先出，这就相当于删除链表的尾巴节点，时间复杂度还是O(n);
头插：
入栈：头插法 O(1)
出栈：相等于删除头节点，时间复杂度O(1)
2.假设用双向链表实现栈： （前后都能找到）
尾插：
入栈：尾插法 入栈是 O(1)
出栈：时间复杂度还是O(1)，
头插：
入栈：头插法 O(1)
出栈：时间复杂度O(1)
上述我们可知，用链表实现栈时，双向链表实现栈是最好的，不管从那边入栈，出栈 时间复杂度都是O(1)。
那使用链式栈时就可以这样使用：如果这是个栈，那peek的内容就是 4.
是 4.
那为啥会这样，你看LinkedList,里本来就有栈里的一些方法，push.....
push 用的是头插法
所以如果是顺序栈，你可以用Stack, 如果是链式栈，你就用LinkedList
队列（Queue）
什么是队列 ？
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(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
举例说明：
假如有一条单行隧道，车辆必须从入口进 （入队列），从出口出（出队列）。那先驶出隧道的车辆肯定是先进去的，后驶出的肯定是后进去的，这就是 队列的先进先出原则
通过上述介绍，我们发现我们可以把 双向链表当成是一个 队列 ，(单链表也行，双链表更简单)
队尾进，队头出，时间复杂度O(1)
ps:Queue 普通队列，Deque 双端队列（两边都可以进出），LinkedList 可以当作普通队列，双端队列，链表，栈（究极打工人）
队列的方法
在Java中，Queue是个接口，底层是通过链表实现的。
队列方法少的嘞
offer (入队列)
peek
poll
.........
add，remove ，element (和peek一个意思）是一组
offer, poll, peek 是一组
队列模拟实现
队列的实现使用 顺序结构 和 链式结构 都行，但链式结构更简单一点。
我们这里拿双链表去写 (前面的链表学会了，这里很简单的，信手拈来）
初始化
offer
调试一看 插进去了
poll
peek
完整代码（链式队列）
/**
* @Author: iiiiiihuang
*/
public class MyQueue {
static class ListNode {
private int val;
private ListNode prev;
private ListNode next;
public ListNode(int val) {
this.val = val;
}
}
private ListNode front;//头
private ListNode rear;//尾
private int usedSize;//计数
/**
* 插入--- 头插法
* @param val
*/
public void offer(int val) {
ListNode node = new ListNode(val);
if(front == null) {
front = node;
rear = node;
} else {
node.next = front;
front.prev = node;
node = front;
}
usedSize++;
}
/**
* 删除 -- 尾删
* @return
*/
public int poll() {
if(front == null) {
throw new EmptyException("队列为空");
}
if(front == rear) {
int poll = front.val;
front = null;
rear = null;
usedSize--;
return poll;
}
int poll = rear.val;
rear = rear.prev;
rear.next = null;
usedSize--;
return poll;
}
/**
* 获取队头
* @return
*/
public int peek() {
if(front == null) {
throw new EmptyException("队列为空");
}
return rear.val;
}
}
循环队列
实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。
环形队列通常使用数组实现。
认识循环队列
。。。。。
这就有意思了 ，
front 和 rear 第一次在一起的时候 队列 是空的，第二次 在一起的时候是队列是满的
那这怎么判断呢，其实有很多方法去判断
1.计数 usedSize == len
2.标记，flag
3.浪费一个空间来区分（常用）
浪费一个空间，就类似下面这样
如何把数组看作是一个循环呢？（rear 从 7 --> 0)
就是把 rear ++ 换成 （rear + 1 ）% len （余数肯定都是小于 len的（len 数组长度）），rear++ 会越界的 (看不懂自己带数据算算)
设计一个循环队列 （https://leetcode.cn/problems/design-circular-queue/）
根据这个来
初始化
判断队列是否是空的，和是否是满的
入队
出队
得到队头元素
得到队尾元素
不能直接rear - 1哦
那现在我们放到力扣里运行一下（链接在上边）
错了 ！！！ 为什么，我们看看我什么
数组容量是 3 ，预期结果成功 插入了 3个，而我们的程序，只能插入两个，因为我们的浪费掉了一个空间 。
所以我们应该多给一个空间：
在运行一下 ，通过了，当然你要是觉得这样奇怪，你也可以用 usedSize,很多方法啦
完整代码： （循环队列）
class MyCircularQueue {
private int[] elem;
private int front;//头
private int rear;//尾
public MyCircularQueue(int k) {
this.elem = new int[k + 1];
}
public boolean enQueue(int value) {
if(isFull()) {
return false;
}
elem[rear] = value;
rear = (rear + 1) % elem.length;
return true;
}
public boolean deQueue() {
if(isEmpty()) {
return false;
}
front = (front + 1) % elem.length;
return true;
}
public int Front() {
if(isEmpty()) {
return -1;
}
int ret = elem[front];
return ret;
}
public int Rear() {
if(isEmpty()) {
return -1;
}
int index = (rear == 0) ? elem.length - 1 : rear - 1;//不能直接rear - 1哦
return elem[index];
}
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
public boolean isFull() {
if((rear + 1) % this.elem.length == front) {
return true;
}
return false;
}
}
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
1. Deque
stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现（数组）
2. Dequequeue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现
（面试题） 1. 用队列实现栈 2. 用栈实现队列
1. 用队列实现栈
225. 用队列实现栈 - 力扣（LeetCode）
1.首先一个栈是不够用的，它俩的出栈原则不一样，栈先进后出，队列先进先出，一个队列实现不了呀 ，对不上。
2.所以我们需要两个队列，当 2 个队列都为空的时候，说明模拟栈为空。
3.当要出栈的时候，（出 45 ），我们要把 12，23，34，入到第二个队列里去，然后再把第一个队列里的 45 出队列 ，
结论就是，”出栈“的时候出不为空的 队列，出队列size - 1 个（俩队列轮流），最后那一个就是我们要 ”出栈“的元素
4.“入栈” 的时候入到不为空的队列
思路有了，我们开始写代码：
代码实现：
入栈
出栈
用for 循环的时候注意一下，不要写成 i < queue.size() - 1,因为queue.size()一直在变。你先记录一下
获取栈顶元素
我们可以定义一个临时量，来存放栈顶元素
里面的元素一直被覆盖，那最后出队列的元素，就覆盖了之前的全部元素，就是栈顶元素。
注意：这里可别写成 queue1.offer(queue2.poll), 跳两回啦。
判断栈空
完美通过
完整代码
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
/**
* @Author: iiiiiihuang
*/
public class MyStack {
private Queue queue1;
private Queue queue2;
public MyStack() {
queue1 = new LinkedList<>();
queue2 = new LinkedList<>();
}
/**
* 入栈操作
* @param x
*/
public void push(int x) {
if(!queue1.isEmpty()){
queue1.offer(x);
} else if(!queue2.isEmpty()) {
queue2.offer(x);
}else {
queue1.offer(x);
}
}
/**
* 出栈
* @return
*/
public int pop() {
//先判断栈空不空
if(empty()) {
return -1;
}
if(!queue1.isEmpty()) {
int len = queue1.size() - 1;
while (len > 0) {
int tmp = queue1.poll();
queue2.offer(tmp);
len--;
}
return queue1.poll();
} else {
int len = queue2.size() - 1;
while (len > 0) {
int tmp = queue2.poll();
queue1.offer(tmp);
len--;
}
return queue2.poll();
}
}
/**
* 获取栈顶元素
* @return
*/
public int top() {
int tmp = -1;
if(empty()) {
return -1;
}
if(!queue1.isEmpty()) {
int len = queue1.size();
while (len > 0) {
tmp = queue1.poll();
queue2.offer(tmp);
len--;
}
return tmp;
} else {
int len = queue2.size();
while (len > 0) {
tmp = queue2.poll();
queue1.offer(tmp);
len--;
}
return tmp;
}
}
public boolean empty() {
return queue1.isEmpty() && queue2.isEmpty();
}
}
2. 用栈实现队列
232. 用栈实现队列 - 力扣（LeetCode）
思路差不多
1.两个栈实现，同理
2.入队的时候 把所有元素 全部放到第一个栈当中
3.出队的时候 把所有的元素 全部倒到第二个栈当中，然后出第二个栈顶元素就行了.（记得判空）
我直接上代码了：
import java.util.Stack;
/**
* @Author: iiiiiihuang
*/
public class MyQueue {
private Stack stack1;
private Stack stack2;
public MyQueue() {
stack1 = new Stack<>();
stack2 = new Stack<>();
}
public void push(int x) {
stack1.push(x);
}
public int pop() {
if(empty()) {
return -1;
}
if(stack2.isEmpty()) {
while (!stack1.isEmpty()) {
stack2.push(stack1.pop());
}
}
return stack2.pop();
}
public int peek() {
if(empty()) {
return -1;
}
if(stack2.isEmpty()) {
while (!stack1.isEmpty()) {
stack2.push(stack1.pop());
}
}
return stack2.peek();
}
public boolean empty() {
return stack1.isEmpty() && stack2.isEmpty();
}
}
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