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