Java版的数据结构——栈和队列

简介: Java版的数据结构——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

方法 功能
Stack() 构造一个空的栈
E push(E e) 将e入栈,并返回e
E pop() 将栈顶元素出栈并返回
E peek() 获取栈顶元素
int size() 获取栈中有效元素个数
boolean empty() 检测栈是否为空
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。

import java.util.Arrays;
public class MyStack {
    //创建一个顺序栈
    public int[] elem;
    public int usedSize;
    public MyStack(){
        this.elem = new int[10];
    }
    //压栈
    public void push(int val){
        //首先判断栈是不是满了
        if(isFull()){
            //扩容
            elem = Arrays.copyOf(elem,elem.length * 2);
        }
        elem[usedSize++] = val;
    }
    //出栈
    public int pop(){
        if (isEmpty()){
            throw new EmptyException("栈是空的!");
        }
        return elem[--usedSize];
    }
    //查看栈顶
    public int peek(){
        if(isEmpty()){
            throw new EmptyException("栈是空的!");
        }
        return elem[usedSize - 1];
    }
    //判断栈是不是空了
    public boolean isEmpty(){
        return usedSize == 0;
    }
    //栈的大小
    public int size(){
        return usedSize;
    }
    //判断栈是不是满了
    public boolean isFull(){
        return usedSize == elem.length;
    }
}

1.4 栈的应用场景

1.4.1 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(C

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(C)。

A: 12345ABCDE  B: EDCBA54321  C: ABCDE12345  D: 54321EDCBA

1.4.2 将递归转化为循环

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

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(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

(Head/Front)

2.2 队列的使用

在Java中,Queue是个接口,底层是通过链表实现的。

方法 功能
boolean offer(E e) 入队列
E poll() 出队列
peek() 获取队头元素
int size() 获取队列中的有效元素个数
boolean isEmpty() 检测队列是否为空

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

小伙伴们思考下:队列的实现使用顺序结构还是链式结构好?【在下列的循环队列解释】

//链式队列
public class MyQueue {
    //首先创建结点,用内部类实现
    static class Node{
        public int val;
        public Node next;
        //构造方法
        public Node(int val){
            this.val = val;
        }
    }
    //有个队头指针和队尾指针
    public Node head;
    public Node last;
    //队列的大小
    public int usedSize;
    //入队
    public void offer(int val){
        Node node = new Node(val);
        if(head == null){//证明队列为空
            head = node;
            last = node;
        }else{//如果有元素了
            last.next = node;
            last = node;
        }
        usedSize++;
    }
    //出队
    public int poll() {
        //判断队列是否为空
        if (empty()) {
            throw new EmptyException("队列为空");//自定义异常类
        }
        int ret = head.val;
        head = head.next;
        if (head == null) {
            last = null;//只有一个结点时,那么last也要置空。因为如果last不置空,出队的结点还是有引用指向它,它就不会被gc回收
        }
        usedSize--;
        return ret;
    }
    //判断队列是否为空
    public boolean empty() {
        return usedSize == 0;
    }
    //查看队头元素
    public int peek(){
        //判断队列是否为空
        if (empty()) {
            throw new EmptyException("队列为空");//自定义异常类
        }
        return head.val;
    }
    //获得队列大小
    public int getUsedSizeize(){
        return usedSize;
    }
}

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。

如果是普通的顺序队列,就会导致队头标记跑到了数组的末尾,导致存储空间的浪费,这也就是上面的队列实现要使用链式队列的原因

数组下标循环的小技巧

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

2. 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

1. 通过添加 size 属性记录

2. 保留一个位置

3. 使用标记

代码实现:

//循环队列
public class MyCircularQueue {
    private int elem[];
    private int front;//表示队列的头
    private int rear;//表示队列的尾
    //创建循环队列
    public MyCircularQueue(int k) {
        //如果是浪费空间,这里必须多加一个1
        this.elem = new int[k + 1];
    }
    //判断队列是否为满
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % elem.length == front;
    }
    //入队列
    public boolean enQueue(int value) {
        //1. 检查是否队列是满的
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        rear = (rear + 1) % elem.length;
        elem[rear] = value;
        return true;
    }
    //出队列
    public boolean deQueue() {
        //队列为空
        if (isEmpty()) {
            return false;
        }
        front = (front + 1) % elem.length;
        return true;
    }
    //得到队头元素
    public int Front() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elem[front];
    }
    //得到队尾元素
    public int Rear() {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        int index = (rear == 0) ? elem.length - 1 : rear-1;
        return elem[index];
    }
    //判读队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }
}

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

相关文章
|
1月前
|
C语言
【数据结构】栈和队列(c语言实现)(附源码)
本文介绍了栈和队列两种数据结构。栈是一种只能在一端进行插入和删除操作的线性表,遵循“先进后出”原则;队列则在一端插入、另一端删除,遵循“先进先出”原则。文章详细讲解了栈和队列的结构定义、方法声明及实现,并提供了完整的代码示例。栈和队列在实际应用中非常广泛,如二叉树的层序遍历和快速排序的非递归实现等。
140 9
|
26天前
|
存储 算法
非递归实现后序遍历时,如何避免栈溢出?
后序遍历的递归实现和非递归实现各有优缺点,在实际应用中需要根据具体的问题需求、二叉树的特点以及性能和空间的限制等因素来选择合适的实现方式。
24 1
|
11天前
|
存储 算法 Java
Java 内存管理与优化:掌控堆与栈,雕琢高效代码
Java内存管理与优化是提升程序性能的关键。掌握堆与栈的运作机制,学习如何有效管理内存资源,雕琢出更加高效的代码,是每个Java开发者必备的技能。
40 5
|
13天前
|
存储 缓存 算法
在C语言中,数据结构是构建高效程序的基石。本文探讨了数组、链表、栈、队列、树和图等常见数据结构的特点、应用及实现方式
在C语言中,数据结构是构建高效程序的基石。本文探讨了数组、链表、栈、队列、树和图等常见数据结构的特点、应用及实现方式,强调了合理选择数据结构的重要性,并通过案例分析展示了其在实际项目中的应用,旨在帮助读者提升编程能力。
33 5
|
29天前
|
存储 算法 Java
数据结构的栈
栈作为一种简单而高效的数据结构,在计算机科学和软件开发中有着广泛的应用。通过合理地使用栈,可以有效地解决许多与数据存储和操作相关的问题。
|
1月前
|
存储 JavaScript 前端开发
执行上下文和执行栈
执行上下文是JavaScript运行代码时的环境,每个执行上下文都有自己的变量对象、作用域链和this值。执行栈用于管理函数调用,每当调用一个函数,就会在栈中添加一个新的执行上下文。
|
1月前
|
存储
系统调用处理程序在内核栈中保存了哪些上下文信息?
【10月更文挑战第29天】系统调用处理程序在内核栈中保存的这些上下文信息对于保证系统调用的正确执行和用户程序的正常恢复至关重要。通过准确地保存和恢复这些信息,操作系统能够实现用户模式和内核模式之间的无缝切换,为用户程序提供稳定、可靠的系统服务。
51 4
|
1月前
|
算法 安全 NoSQL
2024重生之回溯数据结构与算法系列学习之栈和队列精题汇总(10)【无论是王道考研人还是IKUN都能包会的;不然别给我家鸽鸽丢脸好嘛?】
数据结构王道第3章之IKUN和I原达人之数据结构与算法系列学习栈与队列精题详解、数据结构、C++、排序算法、java、动态规划你个小黑子;这都学不会;能不能不要给我家鸽鸽丢脸啊~除了会黑我家鸽鸽还会干嘛?!!!
|
21天前
|
算法
数据结构之购物车系统(链表和栈)
本文介绍了基于链表和栈的购物车系统的设计与实现。该系统通过命令行界面提供商品管理、购物车查看、结算等功能,支持用户便捷地管理购物清单。核心代码定义了商品、购物车商品节点和购物车的数据结构,并实现了添加、删除商品、查看购物车内容及结算等操作。算法分析显示,系统在处理小规模购物车时表现良好,但在大规模购物车操作下可能存在性能瓶颈。
39 0
|
2月前
|
算法 程序员 索引
数据结构与算法学习七:栈、数组模拟栈、单链表模拟栈、栈应用实例 实现 综合计算器
栈的基本概念、应用场景以及如何使用数组和单链表模拟栈,并展示了如何利用栈和中缀表达式实现一个综合计算器。
40 1
数据结构与算法学习七:栈、数组模拟栈、单链表模拟栈、栈应用实例 实现 综合计算器