数据结构与算法（四）| 队列、栈与Java集合

行百里er

发布于 2021-07-14 15:29:07

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发布于 2021-07-14 15:29:07

文章被收录于专栏：JavaJourney

队列和栈的结构非常经典，在面试中会经常出现他们的变种题。

比如，实现图的宽度优先遍历，但是要求用栈实现；实现图的深度优先遍历，但是要求用队列实现。

这个题比较阴的地方就是图的宽度优先遍历通常是用队列来实现的，而深度遍历使用栈实现，所以，这里需要我们做一个转换：

先用队列来实现栈，然后用这个队列实现的栈实现宽度优先遍历，从而达到用栈实现图的宽度优先遍历的目的；

对于深度优先遍历，先用栈来实现队列，然后用这个栈实现的队列实现深度优先遍历。

这篇文章不是讨论图这种结构的，主要实现以下两种算法：

用栈结构实现队列结构
用队列结构实现栈结构

用栈实现队列

要想实现队列，我们要考虑的是怎样达到数据的先进先出。

而栈是先进后出的结构，于是我们可以用两个栈来实现：push栈和pop栈。

push栈弹出依次压入到pop栈

对于我们要实现的特殊队列，入队的时候压入数据到push栈，同时观察判断pop栈是否为空。

插入一个3，add(3)，此时pop栈为空，需要将push栈中的数弹出压入到pop栈，直到push栈为空：

add(3)

插入一个2，add(2)，此时pop栈不为空，无需弹出push栈和压入pop栈：

add(2)

同理，依次add(5)和add(7)：

依次add(5)和add(7))

此时，我要从队列中取出数据，poll，弹出pop栈，此时判断一下pop栈是否为空，若为空，则需要将push栈数据全部倒出压入到pop栈：

队列poll

继续从队列取数：

队列poll

从上述add和poll的过程我们可以得出一个结论：

无论队列add还是poll都要看一下pop栈是否为空，如果pop栈为空了，则需要弹出push栈的数据压入到pop栈，直到push栈为空。

即：

push栈数倒入到pop栈时要一次性倒完
当pop栈不为空时，不需要压入push栈的数据

这样就能保证先进先出了。

因此我可以抽象出一个弹出push栈数据压入pop栈的方法：

public void pushToPop() {
    if (popStack.isEmpty()) {
        while (!pushStack.isEmpty()) {
            popStack.push(pushStack.pop());
        }
    }
}

用栈实现队列的完整代码：

public class MyQueueWithStack {
    private Stack<Integer> pushStack;
    private Stack<Integer> popStack;
    
    public MyQueueWithStack() {
        this.pushStack = new Stack<>();
        this.popStack = new Stack<>();
    }
    
    public void pushToPop() {
        if (popStack.isEmpty()) {
            while (!pushStack.isEmpty()) {
                popStack.push(pushStack.pop());
            }
        }
    }
    
    public void add(int value) {
        pushStack.push(value);
        pushToPop();
    }
    
    public int poll() {
        if (popStack.isEmpty() && pushStack.isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空了！");
        }
        pushToPop();
        return popStack.pop();
    }
}

用队列实现栈

有了用两个栈实现队列的经验，我们可以再来试一下如何用两个队列实现栈。

终极目的是实现数据的先进先出，也就是先添加的数据，在取数的时候先取出。

下面先用图来演示一遍过程：

用两个队列实现栈的后进先出结构

上图演示的数据入栈出栈过程：

入栈：1，2，出栈：2

入栈：3，4，5，出栈：5

入栈：无，出栈：4

...

所以，这一过程实现了栈的后进先出，达到了用队列实现栈的目的(用两个队列来回倒数据)。

要点：定义两个队列，实现的这种栈在push时往非空的那个队列（如果都为空，则选择其中一个）插入数据，pop时将非空的队列数据取出并依次插入到原来空的那个队列，只留下最后一个元素，将这个元素取出返回，这样原来非空的就变成了空队列了。---每次操作无论push还是pop均有一个队列是空的。

把上面我分析的思路翻译成代码就是这样的：

public class MyStackWithQueue<T> {
    private Queue<T> queue;
    private Queue<T> help;
    
    public MyStackWithQueue() {
        this.queue = new LinkedList<>();
        this.help = new LinkedList<>();
    }
    
    public void push(T value) {
        if (queue.isEmpty() && help.isEmpty()) {
            queue.add(value);
        }
        if (!queue.isEmpty()) {
            queue.add(value);
        }
        if (!help.isEmpty()) {
            help.add(value);
        }
    }

    public T pop() {
        Queue<T> temp = new LinkedList<>();
        if (!queue.isEmpty()) {
            temp = queue;
            while (queue.size() > 1) {
                help.add(queue.poll());
            }
        } else if (!help.isEmpty()) {
            temp = help;
            while (help.size() > 1) {
                queue.add(help.poll());
            }
        }
        return temp.poll();
    }
}

延伸：Java中的List和Queue

Java集合框架图（无Map）

List集合

List集合元素有明确的 上一个 和 下一个 元素，也存在明确的第一个和最后一个元素。

List集合最常用的是 ArrayList 和 LinkedList 两个集合类。

ArrayList

ArrayList的容量可以改变，非线程安全集合。其内部实现用数组进行存储，集合扩容时会创建一个更大的数组控件，把原有数据复制到新数组中。

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    private static final long serialVersionUID = 8683452581122892189L;

    /**
     * Default initial capacity.
     */
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    /**
     * Shared empty array instance used for empty instances.
     */
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * Shared empty array instance used for default sized empty instances. We
     * distinguish this from EMPTY_ELEMENTDATA to know how much to inflate when
     * first element is added.
     */
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {};

    /**
     * The array buffer into which the elements of the ArrayList are stored.
     * The capacity of the ArrayList is the length of this array buffer. Any
     * empty ArrayList with elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA
     * will be expanded to DEFAULT_CAPACITY when the first element is added.
     */
    transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
    
    //......
}

ArrayList支持对元素的快速随机访问，但是插入和删除的速度较慢，因为插入和删除的过程需要移动元素。

LinkedList

LinkedList本质上是一个双向链表。

public class LinkedList<E>
    extends AbstractSequentialList<E>
    implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    transient int size = 0;

    /**
     * Pointer to first node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (first.prev == null && first.item != null)
     */
    transient Node<E> first;

    /**
     * Pointer to last node.
     * Invariant: (first == null && last == null) ||
     *            (last.next == null && last.item != null)
     */
    transient Node<E> last;
    
    //...
}

它和ArrayList很明显的区别就是，LinkedList的插入和删除速度快，而随机访问速度则很慢。

另外，LinkedList还实现了 Deque 接口（double-ended queue，双端队列），Deque 同时具有队列和栈的性质，因为它可以先进先出，也可以先进后出。

LinkedList将零散的内存单元通过附加引用（其内部定义了指向前一个和后一个元素的first和last指针）的方式关联起来，形成按链路顺序查找的线性结构，内存利用率较高。