【Java 数据结构】栈和队列

1. 栈(Stack)

1.1 概念

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
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。

1.2 栈的使用

public static void main(String[] args) {
	Stack<Integer> s = new Stack();
	s.push(1);
	s.push(2);
	s.push(3);
	s.push(4);
	System.out.println(s.size()); // 获取栈中有效元素个数---> 4
	System.out.println(s.peek()); // 获取栈顶元素---> 4
	s.pop(); // 4出栈，栈中剩余1 2 3，栈顶元素为3
	System.out.println(s.pop()); // 3出栈，栈中剩余1 2 栈顶元素为3
	if(s.empty()){
	System.out.println("栈空");
	}else{
	System.out.println(s.size());
	}
}

1.3 栈的模拟实现

从上图中可以看到，Stack继承了Vector，Vector和ArrayList类似，都是动态的顺序表，不同的是Vector是线程安全的。

public class MyStack {
	int[] array;
	int size;
	public MyStack(){
	array = new int[3];
	}
	
	public int push(int e){
	ensureCapacity();
	array[size++] = e;
	return e;
	}
	
	public int pop(){
	int e = peek();
	size--;
	return e;
	}
	
	public int peek(){
	if(empty()){
	throw new RuntimeException("栈为空，无法获取栈顶元素");
	}
	return array[size-1];
	}
	
	public int size(){
	return size;
	}
	
	public boolean empty(){
	return 0 == size;
	}
	
	private void ensureCapacity(){
	if(size == array.length){
	array = Arrays.copyOf(array, size*2);
	}
	}
}

1.4 栈的应用场景

1. 改变元素的序列

1. 若进栈序列为 1,2,3,4 ，进栈过程中可以出栈，则下列不可能的一个出栈序列是（）
   A: 1,4,3,2 B: 2,3,4,1 C: 3,1,4,2 D: 3,4,2,1
   2.一个栈的初始状态为空。现将元素1、2、3、4、5、A、B、C、D、E依次入栈，然后再依次出栈，则元素出栈的顺 序是（ ）。
   A: 12345ABCDE B: EDCBA54321 C: ABCDE12345 D: 54321EDCBA

2. 将递归转化为循环
   比如：逆序打印链表

// 递归方式
void printList(Node head){
	if(null != head){
	printList(head.next);
	System.out.print(head.val + " ");
	}
}

// 循环方式
void printList(Node head){
	if(null == head){
	return;
}
	Stack<Node> s = new Stack<>();
	// 将链表中的结点保存在栈中
	Node cur = head;
	
	while(null != cur){
	s.push(cur);
	cur = cur.next;
	}
	
	// 将栈中的元素出栈
	while(!s.empty()){
	System.out.print(s.pop().val + " ");
	}
}

1.5 概念区分

栈、虚拟机栈、栈帧有什么区别呢？

栈是一种先进后出的数据结构。

虚拟机栈是JVM的一块内存空间。

栈帧是在函数的调用过程中，在java虚拟机栈上开辟的一块内存。

2. 队列(Queue)

2.1 概念

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(FirstIn 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（Head/Front）

2.2 队列的使用

注意：Queue是个接口，在实例化时必须实例化LinkedList的对象，因为LinkedList实现了Queue接口。

public static void main(String[] args) {
	Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
	q.offer(1);
	q.offer(2);
	q.offer(3);
	q.offer(4);
	q.offer(5); // 从队尾入队列
	System.out.println(q.size());
	System.out.println(q.peek()); // 获取队头元素
	q.poll();
	System.out.println(q.poll()); // 从队头出队列，并将删除的元素返回
	if(q.isEmpty()){
	System.out.println("队列空");
	}else{
	System.out.println(q.size());
	}
}

2.3 队列模拟实现

队列中既然可以存储元素，那底层肯定要有能够保存元素的空间，通过前面线性表的学习了解到常见的空间类型有两种：顺序结构 和 链式结构。同学们思考下**：队列的实现使用顺序结构还是链式结构好？**

public class Queue {
	// 双向链表节点
	public static class ListNo
	ListNode next;
	ListNode prev;
	int value;
	
	ListNode(int value){
	this.value = value;
	}
	}
	
	ListNode first; // 队头
	ListNode last; // 队尾
	int size = 0;
	
	// 入队列---向双向链表位置插入新节点
	public void offer(int e){
	ListNode newNode = new ListNode(e);
	if(first == null){
	first = newNode;
	// last = newNode;
	}else{
	last.next = newNode;
	newNode.prev = last;
	// last = newNode;
	}
	last = newNode;
	size++;
	}
	
	// 出队列---将双向链表第一个节点删除掉
	public int poll(){
	// 1. 队列为空
	// 2. 队列中只有一个元素----链表中只有一个节点---直接删除
	// 3. 队列中有多个元素---链表中有多个节点----将第一个节点删除
	int value = 0;
	if(first == null){
	return null;
	}else if(first == last){
	last = null;
	first = null;
	}else{
	value = first.value;
	first = first.next;
	first.prev.next = null;
	first.prev = null;
	}
	--size;
	return value;
	}
	
	// 获取队头元素---获取链表中第一个节点的值域
	public int peek(){
	if(first == null){
	return null;
	}
	return first.value;
	}
	
	public int size() {
	return size;
	}
	
	public boolean isEmpty(){
	return first == null;
	}
}

2.4 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。

数组下标循环的小技巧

• 下标最后再往后(offset 小于 array.length): index = (index + offset) % array.length
  

• 下标最前再往前(offset 小于 array.length): index = (index + array.length - offset) % array.length
  
  如何区分空与满

• 通过添加 size 属性记录
• 保留一个位置
• 使用标记
  

3. 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

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现
Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现

4. 面试题

1. 用队列实现栈。OJ链接
2. 用栈实现队列。OJ链接