栈和队列-Java

news2024/12/24 8:51:13

一、栈

1.1 概念

1.2 栈的使用

1.3 栈的模拟实现

1.4 栈的应用场景

1.5 概念区分

二、队列

2.1 概念

2.2 队列的使用

2.3 队列的模拟实现

2.4 循环队列

三、双端队列

四、面试题

一、栈

1.1 概念

栈：一种特殊的线性表，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，栈中的元素遵循先进后出的原则。

压栈：栈的插入操作，也叫进栈或入栈，在栈顶插入数据；出栈：栈的删除操作，在栈顶删除数据。

1.2 栈的使用

方法	解释
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> stack = new Stack();
    stack.push(1);
    stack.push(2);
    stack.push(3);
    stack.push(4);
    stack.push(5);

    System.out.println(stack.size());//5
    //获取栈顶元素
    System.out.println(stack.peek());//5
    System.out.println(stack);  //[1, 2, 3, 4, 5]

    stack.pop();//出栈  5

    System.out.println(stack.size());//4
    System.out.println(stack);  //[1, 2, 3, 4]

    System.out.println(stack.empty());//false
}

1.3 栈的模拟实现

由图可知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[] elem;
    int usedSize;
    public MyStack(){
        elem = new int[3];
    }
    //判断栈是否满了
    private boolean CapacityIsFull(){
        return  usedSize == elem.length;
    }
    //确保容量充足
    private  void  ensureCapacity(){
        if(CapacityIsFull()){
            elem = Arrays.copyOf(elem,elem.length*2);
        }
    }
    //入栈
    public int push(int data){
        ensureCapacity();
        elem[usedSize++] = data;
        return  data;
    }
    //获取栈顶元素
    public int peek(){
        if(usedSize == 0){
            throw new StackNullEception("栈为空，无法获取栈顶元素");
        }
        return  elem[usedSize-1];
    }

    //出栈
    public int pop (){
        int e = peek();
        usedSize--;
        return  e;
    }
    //获取栈的长度
    public  int size(){
        return  usedSize;
    }
    //判断栈是否为空
    public boolean empty(){
        return  usedSize == 0;
    }
}

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

//递归方式
void printList(Node head){
    if(head == null){
        return;
    }
    printList(head.next);
    System.out.println(head.val+" ");
}
//循环方式
void printList2(Node head){
    if(head == null){
        return;
    }
    Stack<LinkList.Node> stack = new Stack<>();
    //将链表中的元素(节点)放入栈中
    Node cur = head;
    while(cur !=null){
        stack.push(cur);
        cur = cur.next;
    }
    //栈中的元素出栈
    while (!stack.empty()){
        System.out.print(stack.pop().val+" ");
    }
}

3. 括号匹配

4. 逆波兰表达式求值

5. 出栈入栈次序匹配

6. 最小栈

1.5 概念区分

栈、虚拟机栈、栈帧有何区别？

栈是一种数据结构，虚拟机栈是JVM划分的一块内存，栈帧是方法调用时，虚拟机给方法分配的一块内存。

二、队列

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，队列具有先进先出的特点入队列：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

2.2 队列的使用

Queue是个接口，底层是通过链表实现。

方法	解释
boolean offer(E e)	入队列
E poll()	出队列并返回
E peek()	获取队头元素
int size()	获取队列中有效长度的个数
boolean isEmpty	判断队列是否为空

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> queue = new LinkedList<>();
    //入队
    queue.offer(1);
    queue.offer(2);
    queue.offer(3);
    System.out.println(queue);//[1, 2, 3]
    //获取队头元素
    int t = queue.peek();
    System.out.println(t);//1
    //出队
    System.out.println(queue.poll());//1
    System.out.println(queue);//[2, 3]
    //判断队列是否为空
    boolean bool = queue.isEmpty();
    System.out.println(bool);//false
}

2.3 队列的模拟实现

队列中可以存储元素，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，那么 队列的实现使用顺序结构还是链式结构好？

/*双向链式队列*/
public class MyLinkqueue {
    static  class  ListNode{
        int val;
        ListNode next;
        ListNode pre;
        public ListNode(int val){
            this.val = val;
        }
    }
    ListNode first;//队头
    ListNode last;//队尾
    int usedsize;//队列中元素个数
    //入队列
    public boolean offer(int data){
        ListNode node = new ListNode(data);
        if(first == null){
            //空队列
            first = node;
            last = node;
        }else {
            last.next = node;
            node.pre = last;
            last = last.next;
        }
        usedsize++;
        return  true;
    }
    //获取队头元素
    public int peek(){
        if(usedsize == 0){
            return -1;
        }
        return first.val;
    }
    //出队列
    public int poll(){
        int x = peek();
        //只有一个元素
        if(first.next==null){
            first = null;
            last = null;
        }
        first = first.next;
        first.pre = null;
        usedsize--;
        return  x;
    }
    //获取队列中元素的个数
    public int size(){
        return usedsize;
    }
    //判断队列是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return usedsize == 0;
    }
}