【数据结构】栈和队列【详解篇3】

• • 栈（Stack）
  • • 概念
    • 栈的实现
  • 队列（Queue）
  • • 概念
    • 队列的实现
    • 循环队列的实现
    • 双端队列

栈和队列也是基于List来实现的，但是它的限制比List更严格，换句话说它提供的操作更少或者List比栈和队列要更灵活。

• 对于栈（Stack）来说，它只支持3个核心操作：入栈、出栈、取栈顶元素，因为它具有的这些操作，所以他有一个特点叫做后进先出。
• 对于队列（Queue）来说，它也支持3个核心操作：入队列、出队列、取队首元素，因为它具有的这些操作，所以他有一个特点叫做先进先出（类似于食堂排队，谁先来谁先打饭谁就先离开）。

为什么他们的限制比List更严格呢？

• 在写程序的时候，限制不见得是坏事，灵活往往也不见得是好事，越灵活就越容易出错。
• 正因为有限制，未来在java学习的后面，会学习Java中的一些框架。
• 所谓框架的本质，就是限制你写代码的灵活性。有了框架的限制，就可以让你的代码写的不会很差。
• JVM的内存区域划分（也称为JVM的内存模型），其中有一个JVM虚拟机栈，此处的JVM栈特指JVM中的那个内存区域。而现在所说的栈是数据结构中的通用概念。
• 数据结构和编程语言是无关的，各种编程语言都有数据结构的概念。

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。

栈图：Stack的Push和Pop遵循先进后出（Last In First Out）规则

• 利用顺序表实现，即使用尾插+尾删的方式实现。
• 利用链表实现，则头尾皆可。

相对来说，顺序表的实现上要更为简单一些，所以优先用顺序表实现栈。

public class MyStack {
    //管理一些int元素即可，也不考虑扩容问题
    private int[] array=new int[100];//创建一个数组，初始化成100个元素
    private int size=0;//表示栈中存在多少个有效元素
    //《要实现的三个方法如下》
    //入栈:插入元素
    public  void  push(int x){
     array[size]=x;
     size++;
    }
    //取栈顶(最后进来的那个元素)
    public int peek(){
        return array[size-1];
    }
    //出栈
    public int pop(){
        int ret=array[size-1];
        size--;
        return ret;
    }
//从以上代码来看，实现一个栈还是很容易的，只要在顺序表的基础上稍加限制就可以了
// 一个栈只要能支持这三种操作就好了，栈的实现还是很容易的，主要是我们能够结合栈这样的思想来帮助我们解决一些实际问题
}

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)的规则。

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）。

队列图：先进先出FIFO(First In First Out) 。

队列也可以使用数组和链表的结构实现，使用链表的结构实现更优一些，因为如果使用数组的结构，出队列在数组头上出数据，效率会比较低。

package java2021_1003;


public class MyQueueBylinkedList {
    //定义一个链表节点
    //static的效果就是：常见Node的实例不依赖MyQueueBylinkedList 这个类的实例
    static class Node{//Node 这个类叫做“内部类”，内部类就是定义在某个类或者方法中的类
       public int val;
       Node next=null;//初始化为空
        //alt+insert，找一个构造方法
        public Node(int val) {
            this.val = val;
        }
    }
    //创建一个链表，需要有头结点
    //基于链表来实现队列，可以入队列从尾部插入，出队列从头部删除；也可以入队列从头部插入，出队列从尾部删除
    //但是不管是哪种实现方式，最好把头和尾都记录下来
    //此时这个头head结点不是傀儡节点
    private Node head=null;//头结点初始为null
    private Node tail=null;

    //《要实现的三个方法如下》
    //此处按照尾部入队列，头部出队列的方式实现
    //入队列(标准库中的队列，入队列操作就叫offer(提供))
    public void offer(int val){
        Node newNode=new Node(val);
        if(head==null){//如果是空队列,直接让head和tail都指向新结点
            head=newNode;
            tail=newNode;
            return;
        }
        //当前如果不是空链表，就可以把这个结点插到末尾
        tail.next=newNode;
        tail=tail.next;
    }
    //出队列(从头部删除)
    public int  poll(){//把删除的元素返回来
        //如果当前队列就是空队列，再去poll显然不科学
        if(head==null){
            //如果出队列失败，就返回一个错误值
            return -1;//我们不知道当前得到的-1，是因为出队列失败得到的-1，还是说本来这里面存的就是-1，所以说-1在这里不能作为非法值
            //为了能够更好地进行返回值操作，可把int改为Integer，出错的时候直接返回一个null,null肯定是一个非法值
            //Integer叫做包装类，包装类也是一个引用类型的对象，引用类型就可以是一个空引用，空引用就可以表示她是非法情况
            //如果是其他值，那它就是非空引用，在里面包含一个具体的值就ok了。
        }
        int ret=head.val;
        head=head.next;
        if(head==null){//删除当前元素之后，队列变成了空的队列
            tail=null;
        }
        return ret;
    }
    //取队首元素
    public Integer peek(){
        if(head==null){
            return null;
        }
        return head.val;
    }
}

使用数组实现队列的代码示例：

package java2021_1003;


public class MyQueueArray {
    //如果使用数组实现队列它的出队列效率太低，不太适合，所以可以使用循环队列的方式实现出队列操作
    private int[] array=new int[100];
    //有效元素的范围是[head,tail),注意，tail可能在head之前的情况
    private int head=0;
    private int tail=0;
    private int size=0;//size表示元素个数
    //写里面的操作
    //进队列操作（插入元素）
    public void offer(int val){
        //先判断队列是否为满
        if(size==array.length){
            //此时表明队列满了，无法继续插入,直接返回
            return;
        }
        //保证这个操作下标不能越界
        array[tail]=val;//如果没满的话就把tail位置的元素赋成val
        tail++;
        if(tail>=array.length) {//如果tail++之后，超出了数组的有效范围，就从头开始
            tail=0;
        }
        size++;//同时增加元素
    }
    //出队列操作
    public Integer poll(){
        //先判断size是否为0,如果等于0，就直接返回null队列
        if(size==0){
            return null;
        }
        //如果不是空队列
        Integer ret=array[head];
        head++;
        if(head>=array.length){
            head=0;
        }
        size--;//同时删除元素
        return ret;
    }
    //取队首元素
    public Integer peek(){
        if(size==0){//判断队列是否为空
            return null;
        }
        return array[head];//如果队首为null，直接返回head
    }
}

概念

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。因为，栈（Stack）,它是一个类，所以我们在使用栈的时候，就可以直接去创建Stack这样的一个实例，而Queue是一个接口，所以在使用它的时候只能基于其他的类来创建实例。

Queue

如果队列满了或者队列为空，失败就会抛出异常；

返回特殊值是指如offer会返回true或false这样的结果特殊值；

poll 、peek会返回一个null表示当前是一个特殊情况.