【Java数据结构】线性表之栈和队列

news2024/9/20 1:06:26

栈（Stack）

简单描述

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。

使用栈的一些常见的方法

压栈、出栈、获取栈顶元素、获取栈中元素个数、检查栈是否为空

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        stack.push(1);//压栈
        stack.push(2);
        stack.push(3);
        stack.peek();//获取栈顶元素
        stack.pop();//删除栈顶元素
        stack.size();//获取栈中元素的个数
        stack.empty();//判断栈是否为空
    }
}

使用数组模拟实现栈

public class MyStack {
    private int[] elem;
    private int usedSize;
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    public MyStack() {
        this.elem = new int[DEFAULT_CAPACITY];
    }

    public MyStack(int capacity){
        this.elem = new int[capacity];
    }

    private boolean checkCapacity(){
        if(this.usedSize == elem.length){
            return true;
        }
        return false;
    }

    public void push(int val){
        if(this.checkCapacity()){
            this.elem = Arrays.copyOf(this.elem,2*this.elem.length);
        }
        this.elem[this.usedSize] = val;
        this.usedSize++;
    }

    public int pop() throws EmptyException {
        if(this.usedSize == 0){
            //throw new EmptyException("栈为空！");
            return -1;
        }
        int tmp = this.elem[this.usedSize-1];
        this.usedSize--;
        return tmp;
    }

    public int peek() throws EmptyException {
        if(this.usedSize == 0){
            //throw new EmptyException("栈为空！");
            return -1;
        }
        int tmp = this.elem[this.usedSize-1];
        return tmp;
    }
    
    public int size(){
        return this.usedSize;
    }
    
    public boolean empty(){
        return this.usedSize == 0;
    }
}

我们使用 usedSize 来记录栈中元素的个数，压栈的时候就在 elem[usedSize] 输入元素，出栈的时候 usedSize 减一就可以了。

为什么用数组来实现栈？因为用数组来实现栈的时间复杂度为 O(1) 比较高效。

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。

逆序输出链表

我们知道栈的一个特点是先进后出，那么先放进去的元素最后出栈。因此我们就可以达到一个目的：逆序

我们知道一个逆序的方法：递归

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

接下来我们利用栈来实现逆序：

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 + " ");
  }
}

队列（Queue）

简单描述

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）。

在Java中，Queue是个接口，底层是通过链表实现的。

队列（Queue）的一些常见方法

入队、出队、获取队头元素、获取队中元素个数、判断队列是否为空

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer(1);//入队
        queue.offer(2);
        queue.offer(3);
        queue.poll();//删除队头元素
        queue.peek();//获取队头元素
        queue.size();//获取队中元素个数
        queue.isEmpty();//判断队列是否为空
    }
}

使用链式结构来模拟实现队列

我们模拟实现队列既可以用线性结构也可以用链式结构，接下来我们使用链式结构来模拟实现一个简单队列。

public class MyQueue {
    private int usedsize;
    static class ListNode{
        private int val;
        private ListNode prev;
        private ListNode next;

        public ListNode(int val){
            this.val = val;
        }
    }

    private ListNode front;//队头
    private ListNode rear;//队尾

    public void offer(int data){
        ListNode node = new ListNode(data);
        if(front == null){
            front = rear = node;
        }else{
            node.next = front;
            front.prev = node;
            front = node;
            this.usedsize++;
        }
    }

    public int poll(){
        if(front == null){
            System.out.println("队列没有元素！");
            return -1;
        }
        if(front == rear){
            int b = this.rear.val;
            front = null;
            rear = null;
            this.usedsize--;
            return b;
        }
        int a = this.rear.val;
        this.rear.prev.next = null;
        this.usedsize--;
        return a;
    }

    public int peek(){
        if(front == null){
            System.out.println("队列没有元素！");
            return -1;
        }
        if(front == rear){
            int b = this.rear.val;
            return b;
        }
        int a = this.rear.val;
        return a;
    }

    public int size(){
        return this.usedsize;
    }

    public boolean isEmpty(){
        return this.usedsize == 0;
    }
}

这里我们 offer 入队操作采用的是链表中的头插法，我们使用双向链表的操作使得我们可以保存尾节点的位置，利于我们可以直接进行删除操作。