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数据结构之栈和队列

 栈或者队列是经典的数据结构,虽然平时都在用,但是都是别人封装好的集合,我们不用手写了,但是这些内功,作为开发人员来说是必须要掌握的。

  我们知道,在数组中,若知道数据项的下标,便可立即访问该数据项,或者通过顺序搜索数据项,访问到数组中的各个数据项。但是栈和队列不同,它们的访问是受限制的,即在特定时刻只有一个数据项可以被读取或者被删除。众所周知,栈是先进后出,只能访问栈顶的数据,队列是先进先出,只能访问头部数据。这里不再赘述。

  栈的主要机制可以用数组来实现,也可以用链表来实现,下面用数组来实现栈的基本操作:

public class ArrayStack {
    private long[] a;
    //栈数组大小
    private int size;
    //栈顶
    private int top;

    //初始化栈
    public ArrayStack(int maxSize) {
        this.size = maxSize;
        a = new long[size];
        //表示空栈
        top = -1;
    }

    //入栈
    public void push(int value) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("Stack is Full!");
            return;
        }
        a[++top] = value;
    }

    //出栈,返回栈顶元素并删除
    public long pop() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("Stack is Empty!");
            return 0;
        }
        return a[top--];
    }

    //获取并返回栈顶元素
    public long peak() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("Stack is Empty!");
            return 0;
        }
        return a[top];
    }

    public boolean isFull() {
        return top == size - 1;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return top == -1;
    }

    //遍历栈元素
    public void display() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("Stack is Empty!");
            return;
        }
        for (int i = top; i >= 0; i--) {
            System.out.print(a[i] + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

数据项入栈和出栈的时间复杂度均为O(1)。这也就是说,栈操作所消耗的时间不依赖于栈中数据项的个数,因此操作时间很短。栈不需要比较和移动操作。

队列

  队列也可以用数组来实现,不过这里有个问题,当数组下标满了后就不能再添加了,但是数组前面由于已经删除队列头的数据了,导致空。所以队列我们可以用循环数组来实现,见下面的代码:

public class RoundQueue {
    private long[] a;
    //数组大小
    private int size;
    //队头
    private int front;
    //队尾
    private int rear;
    //实际存储元素个数
    private int nItems;

    //初始化队列
    public RoundQueue(int maxSize) {
        this.size = maxSize;
        a = new long[size];
        front = 0;
        rear = -1;
        nItems = 0;
    }

    //插入数据
    public void insert(int value) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("Queue is Full!");
            return;
        }
        //尾指针满了就循环到0处
        rear = ++rear % size;
        a[rear] = value;
        nItems++;
        /*if (rear == size - 1) {
            rear = -1;
        }
        a[++rear] = value;*/
    }

    //删除数据
    public long remove() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("Queue is Empty!");
            return 0;
        }
        nItems--;
        front = front % size;
        return a[front++];
    }

    //返回队头数据
    public long peak() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("Queue is Empty!");
            return 0;
        }
        return a[front];
    }

    public boolean isFull() {
        return nItems == size;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return nItems == 0;
    }

    public void display() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("Queue is Empty!");
            return;
        }
        int item = front;
        for (int i = 0; i < nItems; i++) {
            System.out.print(a[item++ % size] + " ");
        }
        System.out.println();

    }
}

  和栈一样,队列中插入数据项和删除数据项的时间复杂度均为O(1)

  还有个优先级队列,优先级队列是比栈和队列更专用的数据结构。优先级队列与上面普通的队列相比,主要区别在于队列中的元素是有序的,关键字最小(或者最大)的数据项总在队头。数据项插入的时候会按照顺序插入到合适的位置以确保队列的顺序。优先级队列的内部实现可以用数组或者一种特别的树——堆来实现。

public class PriorityQueue {
    private long[] a;
    //数组大小
    private int size;
    //实际存储元素个数
    private int nItems;

    public PriorityQueue(int maxSize) {
        this.size = maxSize;
        a = new long[size];
        nItems = 0;
    }

    public void insert(int value) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("Queue is Full!");
            return;
        }
        int j;
        //空队列直接添加
        if (nItems == 0) {
            a[nItems++] = value;
        } else {
            //将数组元素从小到大排列
            for (j = nItems - 1; j >= 0; j--) {
                if (value > a[j]) {
                    a[j + 1] = a[j];
                } else {
                    break;
                }
            }
            a[j + 1] = value;
            nItems++;
        }

    }

    public long remove() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("Queue is Empty!");
            return 0;
        }
        return a[--nItems];
    }

    public long peekMin() {
        return a[nItems - 1];
    }

    public boolean isFull() {
        return nItems == size;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return nItems == 0;
    }

    public int size() {
        return nItems;
    }

    public void display() {
        for (int i = nItems - 1; i >= 0; i--) {
            System.out.print(a[i] + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

这里实现的优先级队列中,插入操作需要 O(N) 的时间,而删除操作则需要 O(1) 的时间

原文参考【Java知音网

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