【Java】栈和队列详解！！！

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发布于 2024-11-25 18:10:09

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一、🍰栈（Stack）

1.🥧什么是栈？

🍦栈栈是一种数据结构，他是一种只允许在一端固定进行插入和删除操作的特殊线性表。先进入的数据被压入栈底，最后进入的数据被放在栈顶，需要读出的数据从栈顶开始弹出，按照先入后出的原则。

操作：

入栈：也称为压栈/进栈，将插入的元素放在栈顶；

出栈：将栈顶的元素进行删除；

🍦栈的特点

操作受限性：只允许在一端固定进行插入和删除操作，不像顺序表可以进行任意的插入和删除；
数据存储的有序性：元素遵循先进后出的原则，即先入栈的元素后出栈；
空间效率：无需像数组等数据结构分配存储大量的固定空间，可以根据元素的入栈和出栈发生动态变化，可以避免空间的浪费；
时间复杂度：出栈和出栈的时间复杂度都为O（1），操作效率高；

2.🥧栈的使用

栈的方法

方法	功能
Stack（）	构造一个空的栈
E push（E e）	将元素入栈
E pop（）	将元素出栈
E peek（）	获取栈顶元素
int size（）	获取栈中有效个数大小
boolean empty（）	判断栈是否为空

细心的同学观察图片和表格中的方法会发现，图片中并没有size方法，是因为Stack继承于Vector，他使用的size方法是Vector中的方法；

什么是Vector？

Vector继承与List接口，他与ArrayList相似，与ArrayList不同的是，Vector是线程安全，当其相对性能较低。在当线程的情况下，如果不需要线程安全，更推荐ArrayList。

什么是线程安全？

线程安全指的是在多线程的环境下，程序或代码能过正确地运行，不会出现数据不一致、竞争条件、死锁等问题。

方法的使用:

    public static void main(String[] args) {
        Stack<Integer> stack=new Stack<>();
        //入栈
        stack.push(1);
        stack.push(2);
        stack.push(3);
        //获取有效个数大小
        System.out.println(stack.size());//3
        //获取栈顶元素
        System.out.println(stack.peek());//3
        //出栈
        stack.pop();
        //获取栈顶元素
        System.out.println(stack.peek());//2
        //查找元素下标
        System.out.println(stack.search(2));
    }

3.🥧栈的模拟实现

//数组模拟实现栈
public class MyStack {
    //元素
    public int[] n;
    //有效元素大小
    public int usedsize;
    //构造方法
    public MyStack(int[] n) {
        this.n = n;
    }
    //入栈:将元素进行插入
    //1.判断是否满了，满了用Arrays.copyOf进行扩容
    //1.用元素放入数组中，
    //2.元素个数增加
    public void push(int x){
        if(isFull()){
          this.n= Arrays.copyOf(n,2*n.length);
        }  
        n[usedsize]=x;
         usedsize++;
    }
    private boolean isFull(){
        return usedsize==n.length;
    }
    //出栈：将栈顶元素拿出
    //1.判断栈是否为空；
    // 2.将栈中元素减减即可
    public int pop(){
        if(empty()){
            return -1;
        }
        int val=n[usedsize-1];
         usedsize--;
         return val;
    }
    //获取栈顶元素
    //1.判断栈是否为空,如果为空抛出异常
    // 2.获取栈中元素
    public int peek(){
        if(empty()){
             throw new EmptyStackException();
        }
        return n[usedsize-1];
    }
    //判断栈是否为空
    //看其有效个数是否为0
    public boolean empty()throws EmptyStackException{
          return this.usedsize==0;
    }
}

可以通过链表来模拟实现栈吗？

答案是：可以的；

1.如果采用单链表来实现：

采用的是头插法，入栈和出栈的时间复杂度都为O(1);
采用的是尾插法，入栈的时间复杂度为O（n），如果有last，那么时间复杂度为O（1），但是出栈时间复杂度一定是O（n）；

2.如果采用双链表来实现：

不管是头插法和尾插法都可以实现；

4.🥧栈的优缺点

🍦优点：

数据存储的有序性：元素遵循先进后出的原则，即先入栈的元素后出栈；
操作简单高效：栈的入栈和出栈操作都在栈顶进行，时间复杂度在为O（1），能迅速实现插入和删除；
空间效率：无需像数组等数据结构分配存储大量的固定空间，可以根据元素的入栈和出栈发生动态变化，可以避免空间的浪费；

🍦缺点:

功能有限：功能比较单一，只能在一端进行简单的插入和删除；
数据访问有限：除栈顶元素外，访问其他元素需要一一弹出，操作麻烦且效率低；
存储容量问题：虽然可以动态扩容，但是在大量元素入栈的时候，栈的连续空间可能受内存限制；

二、🍰队列（Queue）

1.🥞什么是队列？

🍦队列队列就像日常生活中的排队一样，一端用于插入元素，称为队尾；另一端用于删除元素，称为队头。其遵循的的是先进先出的原则。

操作：

入队：插入元素在队尾；
出队：删除元素在队头；

🍦队列的特点

顺序性：队列按照先进先出的原则；
操作受限性：队列主要集中于队头和队尾；
存储结构的多样性：队列可以通过不同的存储结构来实现，常见的有数组和链表；
并发处理优势：在多线程或多任务环境中，队列常用于实现数据的缓冲和同步；
空间利用效率：可以实现空间的动态调整，提高空间的利用效率，避免空间浪费；

队列的分类

普通队列：普通队列是队列最基本的形式，遵循先进先出的原则；

双端队列（Dequeue）：双端队列允许两端进行插入和删除操作，元素可以从队头出队和入队；

循环队列：循环列队是将队列存储空间的最后一个位置绕到第一个位置，形成逻辑上的闭环；

优先队列：优先级队列中带有优先级元素，入队时按照优先级确定在队列中的位置，出队时总是优先级最高的元素先出队；这个得在二叉树学完才明白；

2.🥞队列的使用

🍦实例化

Queue是一个接口，不能实例化本身，但只要实现了这个接口都可以实例化，比如LinkedList、ArrayDeque以及PriorityQueue等等其他；

 public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> queue=new LinkedList<>();
        Queue<Integer> queue1=new ArrayDeque<>();
        Queue<Integer> queue2=new PriorityQueue<>();
    }

🍦Queue中的方法

看下面的图片，我们可以发现他们分为两类使用效果相同，但是使用目的不同：

方法	功能
boolean offer（E e）	入列队
E poll（）	出列队
peek（）	获取队头元素
int size（）	有效元素个数
boolean isEmpty（）	判断是否为空

🍦队列的使用

    public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> queue=new LinkedList<>();
        //入队
        queue.offer(1);
        queue.offer(2);
        queue.offer(3);
        //获取有效元素个数
        System.out.println(queue.size());//3
        //获取队头元素
        System.out.println(queue.peek());//1
        //出队
        System.out.println(queue.poll());//1
    }

3.🥞队列模拟实现

普通队列用双链表模拟实现：

public class MyQueue {
     //创建节点类
    static class ListNode{
        public int val;
        public ListNode prev;
        public ListNode next;

         public ListNode(int val) {
             this.val = val;
         }
     }
     public ListNode first=null;
     public ListNode last=null;
     public int usedSize=0;
     //入队
    //判断是否为空,如果为空将头尾节点都等于该新节点
    //如果不是，将节点添加到队尾
    //有效元素个数增加
    public void offer(int val){
        ListNode listNode=new ListNode(val);
        if(isEmpty()){
            first=last=listNode;
        }else{
            last.next=listNode;
            listNode.prev=last;
            last=listNode;
        }
        usedSize++;
    }
    //出队
    //判断队列是否为空；
    //出队头元素,将队头指针向后移动
    //使用元素个数减少
    public int poll(){
        if(isEmpty()){
            return -1;

        }
        int val= first.val;
        first=first.next;
        if(first!=null){
            first.prev=null;
        }
        return val;
    }
    //获取队头元素
    //判断队列是否为空
    //如果不为空，直接返回队头元素
    public int peek(){
        if(isEmpty()){
            return -1;
        }
        return first.val;
    }
    //判断是否为空
    //判断有效元素个数是否为0
    public boolean isEmpty(){
        return usedSize==0;
    }
}