疯狂java笔记之栈和队列栈队列双端队列

栈

栈的英文单词是Stack,它代表一种特殊的线性表，这种线性表只能在固定一端（通常认为是线性表的尾端）进行插入，删除操作。

栈的基本定义

栈是一种数据结构，它代表只能在某一端进行插入，删除操作的特殊线性表，通常就是在线性表的尾端进行插入，删除操作。

对于栈而言，允许进行插入，删除操作的一端被称为栈顶（top）,另一端咋被称为栈底（bottom）。

对于一个栈不包含任何元素，那么这个栈就被称为空栈。 从栈顶插入一个元素被称为进栈，将一个元素从栈顶删除被称为“弹出栈”，对应的英文说法为pop,如下图:

stack.PNG

对于元素为a0,a1,a2,...,an-1的栈，假设栈中元素被a0,a1,a2,...,an-1的次序进栈，那么a0未栈底元素，an-1为栈顶元素。出栈时第一个弹出的元素应为栈顶元素，也就是an-1.也就是说，栈中元素的修改是按后进先出(LIFO)的原则进行的。

归纳起来，可以再对栈下一个定义：栈就是一种后进先出(LIFO)的线性表。

栈的常用操作

栈是一种被限制过的线性表，通常不应该提供线性表中的如下方法：

• 获取指定索引处的元素
• 按值查找数据元素的位置
• 向指定索引处插入数据元素
• 删除指定元素索引处的数据元素 从上面这个方法可以看出，栈不应该提供从中间任意位置 访问元素的方法。也就是说，栈只允许在栈顶插入，删除元素。 栈的常用操作如下：
• 初始化：通常是一个构造器，用于创建一个空栈
• 返回栈的长度：该方法用于返回栈中数据元素的个数
• 入栈：向栈的栈顶插入一个数据元素，栈的长度+1
• 出栈：从栈的栈顶删除一个数据元素，栈的长度-1，该方法通常饭后被删除的元素
• 访问栈顶元素：返回栈顶的数据元素，但不删除栈顶元素
• 判断栈是否为空：改方法判断栈是否为空，如果栈为空则返回true,否则返回false.
• 清空栈：将栈清空

类似于线性表即采用顺序存储的方式来实现，也可以用链式结构来实现，也可使用链式结构来实现，栈同样即可采用顺序结构来存储栈内的元素，也可采用链式结构来存储栈内元素。

栈的顺序存储结构及实现

顺序存储结构的栈简称为顺序栈，它利用一组地址连续的存储单元依次存放从栈底到栈顶的数据元素。栈底位置固定不变，它的栈顶可以直接通过顺序栈底层数组的数组元素arr[size-1]来访问。顺序栈的存储示意图如下图：

stack_sort.PNG

顺序栈中数据元素的物理关系和逻辑关系是一致的，先进栈的元素位于栈底，栈底元素的存储位置相对也比较小。

1.进栈

对于顺序栈的进栈操作而言，只需将新的数据元素存入栈内，然后让记录栈内元素个数的变量加1，程序即可再次通过arr[size-1]重新访问新的栈顶元素。进栈操作示意图如下：

inti_stack.PNG

由于顺序栈底层通常会采用数组来保存数据元素，因此可能出现的情况是：当程序试图让一个数据元素进栈时，底层数据已满，那么就必须扩充底层数组的长度来容纳新进栈的数据元素。

1.出栈

对于顺序栈的出栈操作而言，需要将栈顶元素弹出栈，程序要做两件事。

• 让记录栈内元素个数的变量减1.
• 释放数组对栈顶元素的引用。

出栈操作示意图如下图:

out_stack.PNG

对于删除操作来说，只要让记录栈内元素个数的size减1，程序即可通过arr[size-1]访问到新的栈顶元素。但不要忘记释放原来栈顶的数组引用，否则会引起内存泄漏。

栈比普通线性表的功能更弱，栈时一种被限制过的线性表，只能从栈顶插入，删除数据元素。

栈的链式存储结构及实现

程序可以采用单链表来保存栈中所有元素，这种链式结构的栈也被称为栈链。对于栈链而言，栈顶元素不断地改变，程序只要使用一个top引用来记录当前的栈顶元素即可。top引用变量永远引用栈顶元素，再使用一个size变量记录当前栈中包含多少个元素即可。如下图：

linked_stack.PNG

1.进栈

对于栈链的进栈操作，程序只需要做如下两件事： -让top引用指向新元素添加的元素，新元素的next引用指向原来的栈顶元素。

• 让记录栈内元素个数的size变量加1. 进栈操作示意图如下：

into_linked_stack.PNG

2.出栈

对于链栈的出栈操作，需要将栈顶元素弹出栈，程序需要做两件事情：

• 让top引用指向原栈顶元素的下一个元素，并释放原来的栈顶元素
• 让记录栈内元素个数的size变量减1.

出栈操作示意图如下：

out_linked_stack.PNG

对于顺序栈来说，程序开始就需要在底层为他开辟一块连续的内存（数组）,这个空间浪费其实很大.从空间利用率的角度说，链栈的空间利用率比顺序栈的空间利用率要高一些。

java集合中的栈

Java集合实际上提供两种栈供开发者使用：

• java.util.Stack:它就是一个最普通的顺序栈，底层数据实现。这个Stick类是线程安全的，在多线程环境下也可以放心使用
• java.util.LinkedList:LinkedList是一个双端链表：除此之外。LinkedList还可作为栈使用，查看该类api将会发现，他同样提供了push(),pop(),peek()等方法，这表明LinkedList其实还可以当成栈使用。LinkedList代表栈的链式实现，但它是线程不安全的，如果需要在多线程环境下使用，则应该使用Collections类的工具发将其“改造”成线程安全的类。

队列

队列的基本定义

队列是一种特殊的线性表，他只允许在表的前端(front)进行删除操作，只允许在表的后端（rear）进行插入操作，进行插入操作的端称为队尾，进行删除的端称为对头。

如果队列中不包含任何元素，该队列就被称为空队列。

对于一个队列来说，每个元素总是从队列的rear端进入队列，然后等待该与元素之前的所有元素出对之后，当前元素才能出对。因此，把队列简称为先进先出（FIFO）的线性表。如下图：

queue.PNG

队列的常用操作

队列同时是一种被限制过的线性表，通常不应该提供线性表中的如下方法：

• 获取指定索引处的元素
• 按值查找数据元素的位置
• 向指定索引处插入数据元素
• 删除指定索引处的数据元素 从上面这些方法可以看出，队列不应该提供从中间任意位置访问元素的方法，也就是说，队列只允许在队列的前端（front）删除元素，只允许在队列的后端（rear）插入元素。 队列的常用操作如下：
• 初始化:通常是一个构造器，用于创建一个空队列
• 返回队列的长度:该方法用十返回队列中数据元素的个数。
• 加入元索:向队列的rear端插入一个数据元素，队列的长度+1
• 删除元素:从队列的front端删除一个数据元素，队列的长度-1，该方法通常返回被删除的元素。
• 访问队列的前端元素:返回队列的front端的数据元素，但不删除该元素。
• 判断队列是否为空:该方法判断队列是否为空，如果队列为空则返回true否则返回false
• 清空队列：将队列清空

类似于线性表既可采用顺序存储的方式来实现，也可采用链式结构来卖现，队列同样既可采用顺序结构来存储队列元素，也可采用链式结构来存储队列元素。

队列的顺序存储结构及实现

系统采用一组地址连续的存储单元依次存放队列从rear端到front端的所有数据元素，程序只需(front和rear两个整型变量来记录队列front端的元素索引、rear端的元素索引。示意图如下：

queue_sort.PNG

顺序队列可能会造成假满的问题，程序有如下解决方：

• 每次将元素移除队列时将队列中的所有元素向front端移动一位，这种方式front值永远为0，有元素插入队列时rear值+1，有元素移除队列时rear值-1,。但这种方式非常浪费时间，因为每次将元素从队列移除都需要进行“整体搬家”。
• 将数组存储区看成一个首尾相接的环形区域，当存放数组的最大地址之后，rear值再次变为0。采用这种技巧存储的队列称为循环队列。

循环队列

为了重新利用循环顺序队列底层数组中已删除元素所占用的空间，消除可能出现的“假满”现象，可以将顺序队列改进为循环队列。

循环队列是首尾相连的队列：当front,rear变量值达到底层数组的capacity-1之后，再前进一位就自定变成0,。示意图如下：

circulation.PNG

不管队列是空还是满，都会出现一个情况：front==rear.如果底层数据中elementData[front]==null,则表明此时队列为空，否则表明该队列已满。

队列的链式存储结构及实现

使用链式结构保存线性表，也可以采用链式结构来存储队列的各元素，采用链式存储结构的队列也被称为链队列。

对于链队列而言，由于程序需要从rear端添加元素，然后从front端移除元素，因此考虑对链队列增加front,rear两个引用变量，使他们分别执行链队列的头，尾两个节点。链队列示意图如下：

queue_llinked.PNG

由于链队列采用链式结构类保存队列中所有元素，该队列允许添加无限多个数据元素，因此链队列无队列满的问题。

1.插入队列

对于链队列而言，插入操作的实现非常简单，只要创建一个新节点，让原rear节点的next引用指向新的节点，再让rear引用指向该新节点即可。

queue_linked_insert.PNG

2.移除队列

对于链队列而言，移除操作的实现也非常简单，只要让front引用指向原front所引用节点的下一个节点即可。当然，不要忘记释放原front节点的引用。示意图如下:

queue_linked_delete.PNG

Java集合中的队列

从JDK1.5开始,java的集合框架中提供了一个queue接口，该接口代表了一个队列，实现该接口的类可以当成队列使用。Queue里包含了6个方法，用于代表队列包含的3个标志性的方法，如下所示：

• 插入：在队列的rear端插入元素
• 移除：在队列的front端删除元素
• 访问：访问队列的front端元素

Java为上面的每个方法方法提供了两个版本：具有特殊返回值的版本和抛出异常的版本，这样就产生了6个方法。

双端队列

双端队列代表一种特殊的队列，它可以在两端同时进行插入，删除操作，如下图所示：

double_queue.PNG

对于双端队列，由于它可以从两端分别进入插入，删除操作，如果程序将所有的插入，删除操作固定在一端进行，这个双端队列就变成前面介绍的栈，由此可见，Deque和Queue，Stack之间的关系如图：

double_queue_relation.PNG

双端队列（Deque）既可说是Queue的子接口，也可说Stack(JDK并未提供这个接口)的子接口。因此。Deque即可当成队列使用，也可当成栈使用。

由此可见，Deque其实就是Queue和Stack混合而成的一种特殊的线性表，完全可以参考起前面的Queue,Stack的实现类实现Deque。

JDK为Deque提供了ArrayDeque和LinkedList两个常见的实现类。其中，ArrayDeque代表顺序存储结构的双端队列，LinkedList则代表链式存储结构的双端队列。

LinkedList代表一种双向，链式存储结构的循环线性表，这里有提到LinkedList代表线程安全的，链式结构的双端队列，由此可见，LinkedList实在是一个功能非常强大的集合类。事实上，LinkedList几乎是Java集合框架中方法最多的类。

LinkedList_relation.PNG

虽然LinkedList工具类的功能非常强大，它既可当成线性表使用，也可当成栈使用，还可当成队列使用，但对大部分程序而言，使用ArrayList，ArrayDeque的性能比LinkedList更好。