【Java】Stack和Queue的使用

news2024/12/24 8:55:04

文章目录

  • 一、栈
    • 1.1 什么是栈
    • 1.2 栈的模拟实现
  • 二、Java中的Stack
    • 2.1 构造方法
    • 2.2 操作方法
    • 2.3 应用场景
  • 三、队列
    • 3.1 什么是队列
    • 3.2 队列的模拟实现
  • 四、Java中的Queue
    • 4.1 实例化方法
    • 4.2 操作方法
    • 4.3 应用场景

一、栈

1.1 什么是栈

栈（Stack）是一种常见的数据结构，它遵循"后进先出"（Last-In-First-Out，LIFO）的原则。在栈中，最后添加的元素首先被访问或删除，而最先添加的元素则最后被访问或删除。

栈具有以下特点：

  1. 插入操作称为"入栈"（push）：将元素添加到栈的顶部。
  2. 删除操作称为"出栈"（pop）：从栈的顶部移除元素。
  3. 只能访问栈顶的元素：栈是一种限制性访问的数据结构，只允许访问或操作栈顶的元素。
  4. 栈的大小是动态的：栈的大小可以根据需要自动增长或缩小。

1.2 栈的模拟实现

import java.util.Arrays;

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

    public static final int DEFAULT_SIZE = 10;

    public MyStack(){
        elem = new int[DEFAULT_SIZE];
    }

    public void push(int val){
        // 如果栈满了就扩容
        if(isFull()){
            this.elem = Arrays.copyOf(this.elem, 2 * Arrays.stream(this.elem).sum());
        }

        this.elem[usedSize] = val;
        usedSize++;
    }

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

    private boolean isEmpty(){
        return usedSize == 0;
    }

    public int pop(){
        if(usedSize == 0){
            throw new MyEmptyException("栈已经空！");
        }
        return elem[--usedSize];
    }

    public int size(){
        return usedSize;
    }

    public int peek(){
        if (isEmpty()){
            throw new MyEmptyException("栈已经空！");
        }
        return elem[usedSize - 1];
    }
}

二、Java中的Stack

在Java中，Stack类是一个继承自Vector类的类，它实现了一个后进先出（LIFO）的堆栈数据结构。Stack类提供了一些方法来实现栈的常见操作，例如压栈（push）、弹栈（pop）、查看栈顶元素（peek）等。

Stack的继承体系如图：

2.1 构造方法

在Java中，Stack类提供了以下几个构造方法：

  1. Stack()：创建一个空的Stack对象。
Stack<String> stack = new Stack<>();
  1. Stack(Collection<? extends E> c)：创建一个包含指定集合中的元素的Stack对象。集合中的元素将按照迭代器返回的顺序添加到Stack中。
List<String> collection = new ArrayList<>();
collection.add("Element 1");
collection.add("Element 2");
Stack<String> stack = new Stack<>(collection);

另外，需要注意的是，Stack类在Java 1.0中引入，但自Java 1.6起，官方推荐使用更加通用的Deque接口（如ArrayDeque或LinkedList）来代替Stack类，因为Deque提供了更丰富的操作方法，并且更加高效。

2.2 操作方法

Stack类提供了一些常见的操作方法，可以用于实现栈的功能。以下是一些常用的Stack操作方法：

  1. push(E item)：将元素item压入栈顶。
Stack<String> stack = new Stack<>();
stack.push("Element 1");
stack.push("Element 2");
  1. pop()：弹出并返回栈顶的元素。
Stack<String> stack = new Stack<>();
stack.push("Element 1");
stack.push("Element 2");
String topElement = stack.pop(); // 返回"Element 2"，栈顶的元素被弹出
  1. peek()：返回栈顶的元素，但不对栈进行修改。
Stack<String> stack = new Stack<>();
stack.push("Element 1");
stack.push("Element 2");
String topElement = stack.peek(); // 返回"Element 2"，栈顶的元素不会被弹出
  1. empty()：检查栈是否为空。
Stack<String> stack = new Stack<>();
boolean isEmpty = stack.empty(); // 返回true，栈为空
  1. search(Object o)：查找元素o在栈中的位置，返回距离栈顶的距离（栈顶元素的位置为1，依次递增）。
Stack<String> stack = new Stack<>();
stack.push("Element 1");
stack.push("Element 2");
int position = stack.search("Element 1"); // 返回2，"Element 1"距离栈顶的位置为2

除了上述方法外，Stack类还继承了Vector类的其他方法，例如size()、isEmpty()、clear()等。

另外，由于Stack类是线程安全的，使用同步方法来实现的，而在Java的并发编程中，建议使用更高效的并发类（如ConcurrentLinkedDeque）代替Stack类。

2.3 应用场景

  1. 括号匹配问题
class Solution {
    public boolean isValid(String s) {
        Stack<Character> stack = new Stack<>();

        for (char ch : s.toCharArray()) {
            if(ch == '('){
                stack.push(')');
            } else if (ch == '{') {
                stack.push('}');
            } else if (ch == '[') {
                stack.push(']');
            } else if(stack.isEmpty() || ch != stack.pop()) {
                return false;
            }
        }

        return stack.isEmpty();
    }
}
  1. 逆波兰表达式求值
class Solution {
    
    // tokens = ["2","1","+","3","*"] 9
    public int evalRPN(String[] tokens) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();

        for (String str : tokens) {
            switch (str) {
                case "+" -> {
                    int right = stack.pop();
                    int left = stack.pop();
                    stack.push(left + right);
                }
                case "-" -> {
                    int right = stack.pop();
                    int left = stack.pop();
                    stack.push(left - right);
                }
                case "*" -> {
                    int right = stack.pop();
                    int left = stack.pop();
                    stack.push(left * right);
                }
                case "/" -> {
                    int right = stack.pop();
                    int left = stack.pop();
                    stack.push(left / right);
                }
                default -> {
                    Integer integer = Integer.valueOf(str);
                    stack.push(integer);
                }
            }
        }
        return stack.pop();
    }
}

三、队列

3.1 什么是队列

队列（Queue）是一种常见的数据结构，它遵循"先进先出"（First-In-First-Out，FIFO）的原则。在队列中，最先添加的元素首先被访问或删除，而最后添加的元素则最后被访问或删除。

队列具有以下特点：

  1. 插入操作称为"入队"（enqueue）：将元素添加到队列的末尾。
  2. 删除操作称为"出队"（dequeue）：从队列的头部移除元素。
  3. 只能访问队列头部和尾部的元素：队列是一种限制性访问的数据结构，只允许访问或操作队列的头部和尾部元素。
  4. 队列的大小是动态的：队列的大小可以根据需要自动增长或缩小。

3.2 队列的模拟实现

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

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

    private ListNode head; // 队头出
    private ListNode tail; // 队尾入

    public void offer(int val) {
        if (head == null){
            head = new ListNode(val);
            tail = head;
        } else {
            ListNode node = new ListNode(val);
            tail.next = node;
            tail = node;
        }
    }

    public int poll() {

        if(isEmpty()){
            throw new MyEmptyException("队列为空！");
        }

        int tmp = head.val;
        head = head.next;
        if (head == null)
            tail = null;
        return tmp;
    }

    public int peek() {
        if(isEmpty()){
            throw new MyEmptyException("队列为空！");
        }
        return head.val;
    }

    public int size() {
        if(isEmpty()){
            return 0;
        }

        int cnt = 0;
        ListNode cur = head;
        while (cur != null){
            cnt++;
            cur = cur.next;
        }
        return cnt;
    }

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

    public void display(){
        ListNode cur = head;
        while (cur != null){
            System.out.print(cur.val + " ");
            cur = cur.next;
        }
        System.out.println();
    }
}

四、Java中的Queue

在Java中，Queue是一个接口，它表示一种先进先出（FIFO）的队列数据结构。它是Java集合框架的一部分，定义了一些方法来操作队列。Queue接口的常见实现类包括LinkedList和ArrayDeque。其继承体系如下：

4.1 实例化方法

Queue接口本身是一个接口，不能直接实例化。在Java中，我们可以使用具体的实现类来创建Queue对象，常用的实现类有LinkedList和ArrayDeque。

  1. LinkedList实现的Queue：
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
  1. ArrayDeque实现的Queue：
Queue<String> queue = new ArrayDeque<>();

这些构造方法创建了一个空的Queue对象，可以根据需要将元素添加到队列中。

4.2 操作方法

Queue接口提供了一系列方法来操作队列。以下是Queue接口的一些常见操作方法：

  1. add(E e)：将元素e插入队列的尾部，如果成功则返回true，如果队列已满则抛出异常。
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
boolean result = queue.add("Element 1");
  1. offer(E e)：将元素e插入队列的尾部，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
boolean result = queue.offer("Element 1");
  1. remove()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空则抛出异常。
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
String element = queue.remove();
  1. poll()：移除并返回队列头部的元素，如果队列为空则返回null。
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
String element = queue.poll();
  1. element()：返回队列头部的元素，如果队列为空则抛出异常。
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
String element = queue.element();
  1. peek()：返回队列头部的元素，如果队列为空则返回null。
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
String element = queue.peek();

此外，Queue接口还继承了Collection接口和Iterable接口中的方法，例如size()、isEmpty()、clear()、iterator()等。

4.3 应用场景

  1. 队列实现栈
// 两个队列
// 入栈：入到不为空的队列
// 出栈：找到不为空的队列，出size - 1个元素到空队列，返回最后一个元素

// 使用队列实现栈
class MyStack {
    private Queue<Integer> queue1;
    private Queue<Integer> queue2;

    public MyStack() {
        queue1 = new LinkedList<>();
        queue2 = new LinkedList<>();
    }
    
    public void push(int x) {
        // 两个队列都为空的时候
        if(empty()){
            queue1.offer(x);
            return;
        }


        if(queue1.isEmpty()){
            queue2.offer(x);
        } else {
            queue1.offer(x);
        }
    }
    
    public int pop() {
        if(empty()){
            return -1;
        }

        if(queue1.isEmpty()){
            int size = queue2.size();
            while (size - 1 != 0){
                queue1.offer(queue2.poll());
                size--;
            }
            return queue2.poll();
        } else {
            int size = queue1.size();
            while (size - 1 != 0){
                queue2.offer(queue1.poll());
                size--;
            }
            return queue1.poll();
        }
    }
    
    public int top() {
        int tmp = pop();
        push(tmp);
        return tmp;
    }
    
    public boolean empty() {
        return queue1.isEmpty() && queue2.isEmpty();
    }
}
  1. 栈实现队列
class MyQueue {

    private Stack<Integer> inStack; // 入栈
    private Stack<Integer> outStack; // 出栈

    public MyQueue() {
        inStack = new Stack<>();
        outStack = new Stack<>();

    }
    
    public void push(int x) {
        inStack.push(x);
    }
    
    public int pop() {
        if (empty()){
            return -1;
        }

        if (outStack.isEmpty()) {
            while (!inStack.empty()) {
                outStack.push(inStack.pop());
            }
        }
        return outStack.pop();
    }
    
    public int peek() {
        if(outStack.empty()){
            while (!inStack.empty()){
                outStack.push(inStack.pop());
            }
        }

        return outStack.peek();
    }
    
    public boolean empty() {
        return inStack.isEmpty() && outStack.isEmpty();
    }
}

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