详解栈和队列

news2024/11/15 16:43:22

目录：

1.栈

2.队列

一、 栈（Stack）

1.1 概念：

栈是一种特殊的线性表，只允许在固定的一端进行插入和删除元素的操作。进行插入元素的一端叫做栈顶，另一端叫做栈底。从数据结构的角度出发，栈中的元素遵循先进后出的原则。

1.2 栈的内在方法：

Stack()：

Stack的构造方法，用来创建一个栈类型的对象。

由于栈是一个泛型类，所以在创建对象时可以传入类型实参以规定栈中存储的数据类型。

Stack stack1 = new Stack();

Stack<Integer> stack2 = new Stack<>();

push(E)：

入栈，并且返回该元素的值。

public static void main(String[] args) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        System.out.println(stack.push(1));
    }


//运行结果：1

如果使用了<>,就必须放规定类型的数据；如果没有用<>，可以往栈中存入任意类型的数据。 

pop()：

出栈，并返回该元素的值。

public static void main(String[] args) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        stack.push(1);
        System.out.println(stack.pop());
    }


//运行结果：1

如果空栈进行出栈，则会抛出异常。

peek()：

仅返回栈顶元素的值。

public static void main(String[] args) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        stack.push(1);
        System.out.println(stack.peek());
    }



//运行结果：1

如果对空栈进行peek，就会抛出异常。

empty()：

返回该栈是否为空。

        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        stack.push(1);
        System.out.println(stack.empty());


//运行结果：false

        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        System.out.println(stack.empty());


//运行结果：true

 1.3 模拟实现栈：

链栈：

用链表实现栈。

如果链表采用尾插的话，push的时间复杂度为O(1),pop的时间复杂度为O(N);

如果链表采用首插的话，push的时间复杂度为O(1),pop的时间复杂度为O(1)，所以采用首插。

public class List_stack {
    ListNode head;

    static class ListNode{
        ListNode next;
        int a;
    }

    public void push(ListNode l) {
        if (l == null) {
            return;
        }
        l.next = head;
        head = l;
    }

    public ListNode pop(){
        ListNode k = head;
        try {
            if (head == null) {
                throw new EmptyException();
            }
            head = head.next;
        }catch (EmptyException o){
            o.printStackTrace();
        }
        return k;
    }

    public ListNode peek() {
        return head;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return head == null;
    }
}

顺序栈：

用顺序表实现栈。

如果顺序表采用尾插的话，push的时间复杂度为O(1),pop的时间复杂度为O(1);

如果顺序表采用首插的话，push的时间复杂度为O(N),pop的时间复杂度为O(N)，所以采用尾插。

public class MyStack {
    public int[] elem;
    public int usedSize;

    public MyStack(int[] elem) {
        this.elem = new int[10];
    }

    public void push(int date) {
        if (isFull()) {
            elem = Arrays.copyOf(elem, 2 * usedSize);
        }
        elem[usedSize++] = date;
    }

    public boolean isFull() {
        return usedSize == elem.length;
    }

    public int pop() {
        try {
            if (isEmpty()){
                throw new EmptyException("栈为空");
            }
        }catch (EmptyException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return elem[--usedSize];
    }

    public int peek() {
        try {
            if (isEmpty()){
                throw new EmptyException("栈为空");
            }
        }catch (EmptyException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return elem[usedSize - 1];
    }
    public boolean isEmpty() {
        return usedSize == 0;
    }
}

二、 队列（Queue）

1.1 概念：

队列是只允许在一端进行插入数据，在另一端删除数据的特殊线性表，具有先进先出（FIFO）的特点。

与栈有所不同，队列在Java中是一个接口，以链表为底层实现的。

1.2 队列的内在方法：

add(E)：

将指定元素添加到队列中

  • 如果元素成功添加，始终返回 true（对于没有容量限制的队列）。如果无法添加元素，该方法会抛出异常。

offer(E)：

尝试立即将指定元素添加到队列中，前提是不违反容量限制。

  • 成功添加元素则返回 true。
  • 由于容量限制无法添加元素则返回 false。

remove()：

检索并移除队列的头部元素，返回队列的头部元素。

poll()：

检索并移除队列的头部元素。

  • 返回队列的头部元素，若队列为空则返回 null。

element()：

检索但不移除队列的头部元素，返回队列的头部元素。

peek()：

检索但不移除队列的头部元素。

  • 返回队列的头部元素，若队列为空则返回 null。

总结

  • 添加元素：使用 offer() 处理容量受限的队列，使用 add() 处理没有容量限制的队列。
  • 移除元素：使用 poll() 安全地移除元素，若队列为空则返回 null，使用 remove() 在队列为空时抛出异常。
  • 查看元素：使用 peek() 安全地查看队列头部元素，若队列为空则返回 null，使用 element() 在队列为空时抛出异常。

1.3 模拟实现队列：

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

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

    ListNode first;
    ListNode last;

    public void offer(int val) {
        ListNode cur = new ListNode(val);
        if (first == null) {
            last = cur;
            first = cur;
        }else {
            last.next = cur;
            cur.prev = last;
            last = last.next;
        }
    }

    public int poll() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        int k = first.val;
        first = first.next;
        if (first != null) {
            first.prev = null;
        }
        return k;
    }

    public int peek() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return first.val;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return first == null;
    }
}

1.4 循环队列：

循环队列一般是数组实现的，有两个难点：

1. 怎么使下标循环；

（index + 1）% elem.length就是走一步。

2. 怎么判断元素放满了。

有三种方法：1. 使用一个变量进行标记；

                      2. 使用size来储存数据的个数与数组长度进行对比；

                      3. 浪费一个空间，当pos2走一步之后判断是否等于pos1。 


public class CirQueue {
    int first;
    int last;
    int[] elem;

    public CirQueue() {
        elem = new int[8];
    }

    public void push(int val) {
        if (isFull()) {
            return;
        }
        elem[last % 8] = val;
        last++;
    }

    public int pop() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        int k = elem[first];
        first = (first + 1) % 8;
        return k;
    }

    public int peek() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elem[first];
    }

    public boolean isEmpty() {
        return last == first;
    }

    public boolean isFull() {
        return (last + 1) % 8 == first;
    }
}

 1.5 双端队列（Deque）：

1.6 用队列实现栈：

一个队列是不能实现的，所以我们需要两个，如果我们要删除最后进入的数据，我们需要先将上面的元素出队并且存入另一个队列中，最后才能将队尾元素删除或检索。

public class Q_stack {
    Queue<Integer> queue1;
    Queue<Integer> queue2;
    public Q_stack() {
        queue1 = new LinkedList<>();
        queue2 = new LinkedList<>();
    }

    public void push(int x) {
        if (empty()) {
            queue1.offer(x);
        }else if (!queue2.isEmpty()) {
            queue2.offer(x);
        }else {
            queue1.offer(x);
        }
    }

    public int pop() {
        if (empty()) {
            return -1;
        }else if (!queue2.isEmpty()) {
            for (int i = 0; i < queue2.size() + queue1.size() - 1; i++) {
                queue1.offer(queue2.poll());
            }
            return queue2.remove();
        }else {
            for (int i = 0; i < queue1.size() + queue2.size() - 1; i++) {
                queue2.offer(queue1.poll());
            }
            return queue1.remove();
        }
    }

    public int top() {
        int k = 0;
        if (empty()) {
            return -1;
        }else if (!queue2.isEmpty()) {
            for (int i = 0; i < queue2.size() + queue1.size(); i++) {
                k = queue2.element();
                queue1.offer(queue2.poll());
            }
            return k;
        }else {
            for (int i = 0; i < queue1.size() + queue2.size(); i++) {
                k = queue1.element();
                queue2.offer(queue1.poll());
            }
            return k;
        }
    }

    public boolean empty() {
        return queue1.isEmpty() && queue2.isEmpty();
    }
}

 

1.7 用栈实现队列：

把stack1作为存放数据的栈，把stack2作为操作数据的栈，当stack2为空时将stack1中的数据转移到stack2。

public class S_queue {
    Stack<Integer> stack1;
    Stack<Integer> stack2;

    public S_queue() {
        stack1 = new Stack<>();
        stack2 = new Stack<>();
    }

    public void push(int val) {
        stack1.push(val);
    }

    public int pop() {
        if (stack2.isEmpty()) {
            while (!stack1.isEmpty()) {
                stack2.push(stack1.pop());
            }
        }
        return stack2.pop();
    }

    public int peek() {
        if (stack2.isEmpty()) {
            while (!stack1.isEmpty()) {
                stack2.push(stack1.pop());
            }
        }
        return stack2.peek();
    }

    public boolean isEmpty() {
        return stack1.isEmpty() && stack2.isEmpty();
    }
}

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