Java栈和队列模拟实现及其方法使用

news2024/11/15 15:26:09

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 。

 有点类似于我们的羽毛球筒，只能在一边取，一边放

 1.2 栈的使用

方法
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

 代码示例：

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()); //  4
System.out.println(s.peek()); //  4
s.pop(); // 4出栈,栈顶元素变为3
System.out.println(s.pop()); // 3出栈，栈中剩余1 2
if(s.empty()){
System.out.println("栈空");
}else{
System.out.println(s.size());
}
}
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。
1.3 栈的模拟实现 
import java.util.Arrays;

public class MyStack {
    int[] array;
    int size;

    public MyStack() {
        array = new int[10];
    }

    public int push(int e) {
        ensureCapacity();
            array[size++] = e;
            return e;
    }

    public int pop() {
        if(empty()) System.out.println("栈为空");
        int e = peek();
        size--;
        return e;
    }

    public int peek() {
    int e = array[size-1];
    return e;
    }

    public int size() {
        return size;
    }

    public boolean empty() {
        return 0 == size;
    }

    private void ensureCapacity() {
        if (size == array.length) {
           array = Arrays.copyOf(array, size * 2);
        }
    }
}
public class Test233 {
    public static void main(String[] args) {
        MyStack myStack = new MyStack();
        System.out.println(myStack.push(1));
        System.out.println(myStack.push(2));
        System.out.println(myStack.push(3));
        System.out.println(myStack.pop());
        System.out.println(myStack.pop());
        System.out.println(myStack.pop());
        System.out.println(myStack.empty());
    }
    }

1.3 栈的应用

1.3.1 用栈改变序列

  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 C
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（ ）。/// B
A: 12345ABCDE B: EDCBA54321 C: ABCDE12345 D: 54321EDCBA

1.3.2 递归转换为循环

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

// 循环方式
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;
}
// 出栈
while(!s.empty()){
System.out.print(s.pop().val + " ");
   }
}

2. 栈、虚拟机栈、栈帧的区别

 栈是一种数据结构，虚拟机栈是JVM中的一块内存，栈帧是调用方法时开辟的一块空间，栈帧也是存在与虚拟机栈中的

栈是一种通用的数据结构概念，虚拟机栈是 Java 虚拟机中的特定内存区域，而栈帧是在虚拟机栈中为方法调用开辟的一块空间，用于存储方法执行的具体状态信息。

  • 关于栈

栈作为一种数据结构，具有后进先出（LIFO）的特性。它可以在不同的场景中被实现和应用，用于存储和管理数据。

  • 虚拟机栈

在 Java 虚拟机中，虚拟机栈是一块用于支持 Java 方法执行的内存区域。每个线程都有自己独立的虚拟机栈。它主要用于存储方法调用的相关信息，如局部变量、操作数栈、动态链接、方法返回地址等。虚拟机栈的大小可以是固定的，也可以是动态扩展的。如果栈空间不足，可能会导致栈溢出错误。

  • 栈帧

当一个方法被调用时，会在虚拟机栈中为该方法创建一个栈帧。栈帧是虚拟机栈中的一个逻辑单元，它包含了方法执行所需的各种信息。具体来说，栈帧中通常包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等部分。局部变量表用于存储方法的局部变量，操作数栈用于方法执行过程中的运算操作，动态链接用于支持方法的动态绑定，方法返回地址则记录了方法执行完毕后应该返回的位置。当方法执行完毕时，对应的栈帧会被弹出虚拟机栈，释放其占用的空间。

综上所述，栈是一种通用的数据结构概念，虚拟机栈是 Java 虚拟机中的特定内存区域，而栈帧是在虚拟机栈中为方法调用开辟的一块空间，用于存储方法执行的具体状态信息。

3. 队列(Queue)

3.1 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 ）

 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。

3.2 队列的方法及其使用与定义

在 Java 中， Queue 是个接口，底层是通过链表实现 的。
boolean offer(E e)                     入队列
E poll()                                      出队列
peek()                                       获取队头元素
int size()                                    获取队列中有效元素个数
boolean isEmpty()                    检测队列是否为空 
  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());
            }
        }

3.3 队列模拟实现

队列的底层是双向链表，双向链表的实现队列更加便利

public class MyQueue {
    // 双向链表节点
    public static class ListNode{
        ListNode next;
        ListNode prev;
        int value;
        ListNode(int value){
            this.value = value;
        }
    }
    ListNode first; // 队头
    ListNode last; // 队尾
    int size = 0;
    // 入队列---向双向链表位置插入新节点
    public void offer(int e){
        ListNode newNode = new ListNode(e);
        if(first == null){
            first = newNode;
        }else{
            last.next = newNode;
            newNode.prev = last;
        }
        last = newNode;
        size++;
    }
        //队头出列
    public int poll(){
        int value = 0;
        if(first == null){
         throw new NullPointerException("first is null");
        }else if(first == last){
            last = null;
            first = null;
        }else{
            value = first.value;
            first = first.next;
            first.prev.next = null;
            first.prev = null;
        }
        size--;
        return value;
    }
    // 获取队头元素---获取链表中第一个节点的值域
    public int peek(){
        if(first == null){
            throw new NullPointerException("first is null");
        }
        return first.value;
    }
    public int size() {
        return size;
    }
    public boolean isEmpty(){
        return first == null;
    }
}
import java.util.*;

public class Test233 {
    public static void main(String[] args) {
        MyQueue myQueue = new MyQueue();
        myQueue.offer(1);
        myQueue.offer(2);
        myQueue.offer(3);
        myQueue.offer(4);
        myQueue.offer(5);
        System.out.println(myQueue.size());
        System.out.println(myQueue.poll());
        System.out.println(myQueue.poll());
        }
    }

3.4 循环队列

如图，首尾相接的叫做循环队列

 

 环形队列通常使用数组实现：

数组下标可以返回一个特定值，使其不会越界：

如何区分空与满
1. 通过添加 size 属性：如果size等于队列长度，则队列已满
2. 保留一个位置：
3. 使用标记flg：初始frongt==rear时标记为未满，再一次frongt==rear时标记为满

3.5 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。
Deque是一个接口，使用时必须创建LinkedList的对象。

3.6 模拟实现：

import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.Vector;

class Deque<T> {
    private List<T> data;

    public Deque() {
        data = new ArrayList<>();
    }

    public void addFront(T item) {
        data.add(0, item);
    }

    public void addRear(T item) {
        data.add(item);
    }

    public T removeFront() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return data.remove(0);
    }

    public T removeRear() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return data.remove(data.size() - 1);
    }

    public boolean isEmpty() {
        return data.isEmpty();
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Deque<Integer> deque = new Deque<>();
        deque.addFront(1);
        deque.addRear(2);
        System.out.println(deque.removeFront());
        System.out.println(deque.removeRear());
    }
}
import java.util.Deque;
import java.util.LinkedList;

public class DequeExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个基于 LinkedList 的 Deque
        Deque<String> deque = new LinkedList<>();

        // 在双端队列的两端添加元素
        deque.addFirst("First element");
        deque.addLast("Last element");

        // 从双端队列的两端取出元素
        String first = deque.removeFirst();
        String last = deque.removeLast();

        System.out.println("First element removed: " + first);
        System.out.println("Last element removed: " + last);
    }
}

一、插入操作

  1. addFirst(E e)：在双端队列的头部插入指定元素。如果插入成功则返回true，如果当前没有可用空间则抛出IllegalStateException异常。
  2. addLast(E e)：在双端队列的尾部插入指定元素。如果插入成功则返回true，如果当前没有可用空间则抛出IllegalStateException异常。
  3. offerFirst(E e)：在双端队列的头部插入指定元素。如果插入成功则返回true，如果当前没有可用空间则返回false。
  4. offerLast(E e)：在双端队列的尾部插入指定元素。如果插入成功则返回true，如果当前没有可用空间则返回false。

二、移除操作

  1. removeFirst()：移除并返回双端队列的头部元素。如果双端队列为空，则抛出NoSuchElementException异常。
  2. removeLast()：移除并返回双端队列的尾部元素。如果双端队列为空，则抛出NoSuchElementException异常。
  3. pollFirst()：移除并返回双端队列的头部元素。如果双端队列为空，则返回null。
  4. pollLast()：移除并返回双端队列的尾部元素。如果双端队列为空，则返回null。

三、查看操作

  1. getFirst()：返回双端队列的头部元素，但不删除它。如果双端队列为空，则抛出NoSuchElementException异常。
  2. getLast()：返回双端队列的尾部元素，但不删除它。如果双端队列为空，则抛出NoSuchElementException异常。
  3. peekFirst()：返回双端队列的头部元素，但不删除它。如果双端队列为空，则返回null。
  4. peekLast()：返回双端队列的尾部元素，但不删除它。如果双端队列为空，则返回null。

四、其他操作

  1. size()：返回双端队列中的元素个数。
  2. isEmpty()：判断双端队列是否为空。
  3. contains(Object o)：判断双端队列中是否包含指定元素。
  4. removeFirstOccurrence(Object o)：从双端队列中移除第一次出现的指定元素。
  5. removeLastOccurrence(Object o)：从双端队列中移除最后一次出现的指定元素。

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