手把手教你Java实现栈和队列

news2024/10/7 13:15:55

目录

一、栈(Stack)

1、概念

2、栈的使用 

3、栈的模拟实现

4、栈的应用场景

2. 队列(Queue)

1、概念

2、队列的使用  

3、队列模拟实现

4、循环队列

三、双端队列 (Deque) 

五、栈和队列的互相实现

用队列实现栈:

用栈实现队列:


一、(Stack)

1、概念

: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

栈的push 和 pop操作大概可以用下面这张图来进行表示:

栈在现实生活中的例子:


2、栈的使用 

在Java中,关于栈的常用的方法有以下几个:

我们可以用代码来感受一下这些方法的使用:

    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());
        }
    }

3、栈的模拟实现

从上图中可以看到, Stack 继承了 Vector Vector ArrayList 类似,都是动态的顺序表,不同的是 Vector 是线程安全的。
那么现在,我们可以运用目前所学过的知识来模拟一下栈中的各个方法:
push方法
    public int push(int e){
        ensureCapacity();
        array[size++] = e;
        return e;
    }

pop方法

    public int pop(){
        int e = peek();
        size--;
        return e;
    }

peek方法

    public int peek(){
        if(empty()){
            throw new RuntimeException("栈为空,无法获取栈顶元素");
        }
        return array[size-1];
    }

4、栈的应用场景

1. 改变元素的序列
现在,我们来看这样一道题:

 我们可以根据栈的先进后出的特性来对其进行分析

我们可以发现,A选项中是先将1入栈再出栈,再将234依次入栈后出栈所得到的结果

                         B选项是先将1入栈,再将234轮流入栈出栈,最后将1出栈得到的结果

                         C选项是不可能做到的,因为如果按照31的顺序出栈,那么2必然先比1出栈

                         D选项则是先把12入栈,再将34轮流进行出栈入栈的操作后,再将12出栈

根据这道例题,我们发现可以运用栈来改变元素的序列

2. 将递归转化为循环   

假设现在有这么一道oj题:要求我们逆序打印链表
那么递归的写法是这个样子的:
    // 递归方式
    void printList(Node head){
        if(null != head){
            printList(head.next);
            System.out.print(head.val + " ");
        }
    }

而如果我们使用栈,那么代码就会演变成这样:

    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 + " ");
        }
    }

综上,我们可以得知:通过栈的实现,我们可以将递归转化成循环


2. 队列(Queue)

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、队列的使用  

Java 中, Queue是个接口,底层是通过链表实现 的。

那么在Java中,常见的队列的方法有以下几种:

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());
        }
    }

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


public class Queue {
    // 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;
// last = newNode;
        }else{
            last.next = newNode;
            newNode.prev = last;
// last = newNode;
        }
        last = newNode;
        size++;
    }
    // 出队列---将双向链表第一个节点删除掉
    public int poll(){
// 1. 队列为空
// 2. 队列中只有一个元素----链表中只有一个节点---直接删除
// 3. 队列中有多个元素---链表中有多个节点----将第一个节点删除
        int value = 0;
        if(first == null){
            return 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
    public int peek(){
        if(first == null){
            return null;
        }
        return first.value;
    }
    public int size() {
        return size;
    }
    public boolean isEmpty(){
        return first == null;
    }
}

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。
环形队列的结构如下图所示:

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


三、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 “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。

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现
Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现

五、栈和队列的互相实现

用队列实现栈:

class MyStack {
    Queue<Integer> queue1;
    Queue<Integer> queue2;

    public MyStack() {
        queue1 = new LinkedList<Integer>();
        queue2 = new LinkedList<Integer>();
    }
    
    public void push(int x) {
        queue2.offer(x);
        while (!queue1.isEmpty()) {
            queue2.offer(queue1.poll());
        }
        Queue<Integer> temp = queue1;
        queue1 = queue2;
        queue2 = temp;
    }
    
    public int pop() {
        return queue1.poll();
    }
    
    public int top() {
        return queue1.peek();
    }
    
    public boolean empty() {
        return queue1.isEmpty();
    }
}

用栈实现队列:

class MyQueue {
    public Stack<Integer> stack1;
    public Stack<Integer> stack2;
    public MyQueue() {
        stack1 = new Stack<>();
        stack2 = new Stack<>();
    }

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

    public int pop() {
        if (stack2.isEmpty()) {
in2out();
        }
        return stack2.pop();
    }

    public int peek() {
        if (stack2.isEmpty()){
in2out();
        }
        return stack2.peek();
    }

    public boolean empty() {
        return stack1.isEmpty() && stack2.isEmpty();
    }
    private void in2out() {
        while (!stack1.isEmpty()) {
            stack2.push(stack1.pop());
        }
    }
}

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