栈和队列
- 1. 栈(Stack)
- 1.1 概念
- 1.2 栈的使用
- 1.3 栈的模拟实现
- 1.4 栈的应用场景
- 1. 改变元素的序列
- 2. 将递归转化为循环
- 3.[括号匹配](https://leetcode.cn/problems/valid-parentheses/description/)
- 4.[逆波兰表达式求值](https://leetcode.cn/problems/evaluate-reverse-polish-notation/description/)
- 5.[出栈入栈次序匹配](https://www.nowcoder.com/practice/d77d11405cc7470d82554cb392585106?tpId=13&&tqId=11174&rp=1&ru=/activity/oj&qru=/ta/coding-interviews/question-ranking)
- 6.[最小栈](https://leetcode.cn/problems/min-stack/description/)
- 1.5 概念区分
- 2. 队列(Queue)
- 3. 双端队列 (Deque)
【本节目标】
- 栈的概念及使用
- 队列的概念及使用
- 相关OJ题
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。
栈在现实生活中的例子：
1.2 栈的使用
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());
}
}
1.3 栈的模拟实现
从上图中可以看到，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。
public class MyStack {
int[] array;
int size;
public MyStack(){
array = new int[3];
}
public int push(int e){
ensureCapacity();
array[size++] = e;
return e;
}
public int pop(){
int e = peek();
size--;
return e;
}
public int peek(){
if(empty()){
throw new RuntimeException("栈为空，无法获取栈顶元素");
}
return array[size-1];
}
public int size(){
return size;
}
public boolean empty(){
return 0 == size;
}
private void ensureCapacity(){
if(size == array.length){
array = Arrays.copyOf(array, size*2);
}
}
}
1.4 栈的应用场景
1. 改变元素的序列
1.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
2.一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（ ）。
A: 12345ABCDE B: EDCBA54321 C: ABCDE12345 D: 54321EDCBA
2. 将递归转化为循环
比如：逆序打印链表
// 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;
}
// 将栈中的元素出栈
while(!s.empty()){
System.out.print(s.pop().val + " ");
}
}
3.括号匹配
4.逆波兰表达式求值
5.出栈入栈次序匹配
6.最小栈
1.5 概念区分
栈、虚拟机栈、栈帧有什么区别呢？
2. 队列(Queue)
2.1 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）
2.2 队列的使用
在Java中，Queue是个接口，底层是通过链表实现的
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());
}
}
2.3 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。同学们思考下：队列的实现使用顺序结构还是链式结构好？
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---获取链表中第一个节点的值域
public int peek(){
if(first == null){
return null;
}
return first.value;
}
public int size() {
return size;
}
public boolean isEmpty(){
return first == null;
}
}
2.4 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。
数组下标循环的小技巧
- 下标最后再往后(offset 小于 array.length): index = (index + offset) % array.length
- 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 - 通过添加 size 属性记录
- 保留一个位置
- 使用标记
设计循环队列
3. 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。