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【数据结构】第五弹——Stack 和 Queue

news 来源：原创 2025/7/16 14:45:58

文章目录

一. 栈(Stack)
- 1.1 概念
- 1.2 栈的使用
- 1.3 栈的模拟实现
- - 1.3.1 顺序表结构
  - 1.3.2 进栈压栈
  - 1.3.3 删除栈顶元素
  - 1.3.4 获取栈顶元素
  - 1.3.5 自定义异常
- 1.4 栈的应用场景
- - 1.改变元素序列
  - 2. 将递归转化为循环
  - 3. 四道习题
- 1.5 概念分区
二. 队列(Queue)
- 2.1 概念
- 2.2 队列的使用
- 2.3 队列模拟实现
- 2.4 循环队列
- - 数组下标循环的小技巧
  - 设计循环队列
三. 双端队列 (Deque)
四. 两道面试题
- 4.1 用队列实现栈
- 4.2 用栈实现队列

一. 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。
在这里插入图片描述

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。

1.2 栈的使用

在这里插入图片描述

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---> 4System.out.println(s.peek());   // 获取栈顶元素---> 4s.pop();   // 4出栈，栈中剩余1   2   3，栈顶元素为3System.out.println(s.pop());   // 3出栈，栈中剩余1  2   栈顶元素为3if(s.empty()){System.out.println("栈空");}else{System.out.println(s.size());}}

1.3 栈的模拟实现

在这里插入图片描述
Stack继承了Vector，Vector和ArrayList类似，都是动态的顺序表

1.3.1 顺序表结构

public class MyStack {public int[] elem;public int usedSize;public MyStack() {this.elem = new int[10];}
}

1.3.2 进栈压栈

 public void push(int val) {if(isFull()) {this.elem = Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);}elem[usedSize++] = val;}public boolean isFull() {return usedSize == elem.length;}

1.3.3 删除栈顶元素

public int pop() {if(isEmpty()) {throw new EmptyStackException();}int val = elem[usedSize-1];usedSize--;return val;}

1.3.4 获取栈顶元素

 public int peek() {if(isEmpty()) {throw new EmptyStackException();}return elem[usedSize-1];}public boolean isEmpty() {return usedSize == 0;}

1.3.5 自定义异常

public class EmptyStackException extends RuntimeException{public EmptyStackException() {}public EmptyStackException(String message) {super(message);}
}

完整代码:

public class MyStack {public int[] elem;public int usedSize;public MyStack() {this.elem = new int[10];}public void push(int val) {if(isFull()) {this.elem = Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);}elem[usedSize++] = val;}public boolean isFull() {return usedSize == elem.length;}public int pop() {if(isEmpty()) {throw new EmptyStackException();}int val = elem[usedSize-1];usedSize--;return val;}//获取栈顶元素 但是不删除public int peek() {if(isEmpty()) {throw new EmptyStackException();}return elem[usedSize-1];}public boolean isEmpty() {return usedSize == 0;}
}

1.4 栈的应用场景

1.改变元素序列

在这里插入图片描述

2. 将递归转化为循环

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. 四道习题

在这里插入图片描述

都是力扣牛客网上的题目,也是常见的面试题,会在刷题专栏详细讲解

1.5 概念分区

栈虚拟机栈栈帧有什么区别?

栈是一种通用的数据结构概念，而虚拟机栈是在 Java 虚拟机环境下对栈这种数据结构的具体应用
虚拟机栈由多个栈帧组成，每个栈帧对应一个方法的调用。当方法调用开始时，会创建一个新的栈帧并压入虚拟机栈；当方法调用结束时，对应的栈帧会从虚拟机栈中弹出
综上所述,栈是一种抽象的数据结构，虚拟机栈是 JVM 中使用栈结构来管理方法调用的具体实现，而栈帧则是虚拟机栈中用于支持单个方法执行的具体数据结构

二. 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：进行删除操作的一段称为队头（Head/Front）
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

每个方法都有一个类似的方法
从效果上没有区别

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

在这里插入图片描述

LinkedList实现的方法是很多的,可以直接拿来用
那就要这样写了:

LinkedList <Integer> q = new LinkedList<>();

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

队列的实现使用顺序结构还是链式结构好？

我们先说链式结构:
在这里插入图片描述

双向链表实现队列

 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 useSize=0;public void offer(int val){//addLast尾插ListNode node=new ListNode(val);if(isEmpty()){first=last=null;}last.next=node;node.prev=last;last=last.next;useSize++;}public int poll(){//头删if(isEmpty()){return -1;}int val= first.val;//队头的数据first=first.next;if(first!=null){//只剩一个节点 直接useSize--first.prev=null;}useSize--;return 0;}public int peek(){//获取队头元素if(first==null){return -1;}return first.val;}public boolean isEmpty(){return useSize==0;}

双向链表实现队列效率很高删除插入都很方便

如果是数组实现队列该如何实现?

其实按照顺序遍历插入删除可以实现,但是数组的遍历一旦往后走就无法回去被删除的空间没办法再次使用了

如果数组是一个环就好了,这样就可以走回去再次使用空间–这就是循环队列

2.4 循环队列

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能就会使用循环队列。环形队列通常使用数组实现。

在这里插入图片描述

上面两个一个是空的环形队列一个是满的环形队列

实现环形队列两个问题:
1.怎么判断空和满?
2.rear 和 front 下标从7到0怎么做到的?

解答:
空:只要front 和 rear 相遇就是空的
满有三种方法判断
1.定义size size=数组长度就是满
2.添加标记 boolean类型元素一开始是false一旦开始添加元素就变为true
3.浪费一个空间判断rear是不是front

先放入元素再rear++ 判断rear的下一个元素是不是front就可以了
在这里插入图片描述

判断 rear=(rear+1)%len

关于这个公式:

数组下标循环的小技巧

在这里插入图片描述

利用取模运算得到下标

好了,解决了这两个问题,我们可以使用循环队列了,正好我们来看一道设计循环队列的题目

设计循环队列

class MyCircularQueue {//数组实现public int front;public int rear;public int[] elem;public MyCircularQueue(int k) {//使用浪费一个空间的方法来判断队列是否满//数组多给一个空间elem=new int[k+1];}public boolean enQueue(int value) {//插入 判满if(isFull()){return false;}elem[rear]=value;rear =(rear+1)%elem.length;return true;}public boolean deQueue() {//删除 判空if(isEmpty()){return false;}//头向后走 因为是环形的所以 向后走也不用担心前面的空间不能使用了front=(front+1)%elem.length;return true;}public int Front() {if(isEmpty()){return -1;}return elem[front];}public int Rear() {if(isEmpty()){return-1;}//return elem[rear];}public boolean isEmpty() {return rear==front;}public boolean isFull() {//rear 的下一个是 frontreturn (rear+1)%elem.length==front;}
}/*** Your MyCircularQueue object will be instantiated and called as such:* MyCircularQueue obj = new MyCircularQueue(k);* boolean param_1 = obj.enQueue(value);* boolean param_2 = obj.deQueue();* int param_3 = obj.Front();* int param_4 = obj.Rear();* boolean param_5 = obj.isEmpty();* boolean param_6 = obj.isFull();*/

如果是这样写示例测到这里会有一个报错
原因在于我们并没有考虑最重要的一点
rear 从尾到头怎么办 front删除是向后走了 rear等于0 是可以的
rear 的下一个确实不是front 可以等于0

正确代码如下:

class MyCircularQueue {//数组实现public int front;public int rear;public int[] elem;public MyCircularQueue(int k) {//使用浪费一个空间的方法来判断队列是否满//数组多给一个空间elem=new int[k+1];}public boolean enQueue(int value) {//插入 判满if(isFull()){return false;}elem[rear]=value;rear =(rear+1)%elem.length;return true;}public boolean deQueue() {//删除 判空if(isEmpty()){return false;}//头向后走 因为是环形的所以 向后走也不用担心前面的空间不能使用了front=(front+1)%elem.length;return true;}public int Front() {if(isEmpty()){return -1;}return elem[front];}public int Rear() {if(isEmpty()){return-1;}//int index=(rear==0)?elem.length-1:rear-1;return elem[index];}public boolean isEmpty() {return rear==front;}public boolean isFull() {//rear 的下一个是 frontreturn (rear+1)%elem.length==front;}
}

三. 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

在这里插入图片描述

Deque是一个接口，使用时必须创建LinkedList的对象
在实际工程中，使用Deque接口是比较多的，栈和队列均可以使用该接口

再来看一下我们数据结构第一篇文章画的图,想打关一样,已经学完这么多了

在这里插入图片描述
两种使用方式

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现
Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现

四. 两道面试题

4.1 用队列实现栈

队列实现栈
在这里插入图片描述

class MyStack {public Queue<Integer> qu1;public Queue<Integer> qu2;public MyStack() {qu1=new LinkedList<>();qu2=new LinkedList<>();}//入栈public void push(int x) {if(!qu1.isEmpty()){qu1.offer(x);}else if(!qu2.isEmpty()){qu2.offer(x);}else{qu1.offer(x);}}//出栈public int pop() {if(empty()){return-1;}else if(!qu1.isEmpty()){ // 1不是空 将1的size-1个元素放到2for(int i=0;i<qu1.size()-1;i++){qu2.offer(qu1.poll());}return qu1.poll();}else{//2 不为空for(int i=0;i<qu2.size()-1;i++){qu1.offer(qu2.poll());}return qu2.poll();}}public int top() {if(empty()){return-1;}//用一个临时变量 把每个删除的都记录一下,最后一个就是栈顶if(!qu1.isEmpty()){ // 1不是空 将1的size-1个元素放到2int val=0;for(int i=0;i<qu1.size();i++){val=qu1.poll();qu2.offer(val);}return val;}else{//2 不为空int val=0;for(int i=0;i<qu2.size();i++){val=qu2.poll();qu1.offer(val);}return val;}}public boolean empty() {return qu1.isEmpty()&&qu2.isEmpty();}
}

在这里插入图片描述

正确代码:

class MyStack {public Queue<Integer> qu1;public Queue<Integer> qu2;public MyStack() {qu1=new LinkedList<>();qu2=new LinkedList<>();}//入栈public void push(int x) {if(!qu1.isEmpty()){qu1.offer(x);}else if(!qu2.isEmpty()){qu2.offer(x);}else{qu1.offer(x);}}//出栈public int pop() {if(empty()){return-1;}else if(!qu1.isEmpty()){ // 1不是空 将1的size-1个元素放到2int size=qu1.size();for(int i=0;i<size-1;i++){qu2.offer(qu1.poll());}return qu1.poll();}else{//2 不为空int size=qu2.size();for(int i=0;i<size-1;i++){qu1.offer(qu2.poll());}return qu2.poll();}}public int top() {if(empty()){return-1;}//用一个临时变量 把每个删除的都记录一下,最后一个就是栈顶if(!qu1.isEmpty()){ // 1不是空 将1的size-1个元素放到2int size=qu1.size();int val=0;for(int i=0;i<size;i++){val=qu1.poll();qu2.offer(val);}return val;}else{//2 不为空int size=qu2.size();int val=0;for(int i=0;i<size;i++){val=qu2.poll();qu1.offer(val);}return val;}}public boolean empty() {return qu1.isEmpty()&&qu2.isEmpty();}
}

4.2 用栈实现队列

在这里插入图片描述
按照我们画图得到的思路,写代码:

class MyQueue {
// 两个栈
public ArrayDeque<Integer> s1;
public ArrayDeque<Integer> s2;public MyQueue() {s1=new ArrayDeque<>();s2=new ArrayDeque<>();}public void push(int x) {//入队s1.push(x);}public int pop() {if(empty()){return -1;}if(s2.isEmpty()){while(!s1.isEmpty()){s2.push(s1.pop());}}return s2.pop();}public int peek() {if(empty()){return -1;}if(s2.isEmpty()){while(!s1.isEmpty()){s2.push(s1.pop());}}return s2.peek();}public boolean empty() {return s1.isEmpty()&&s2.isEmpty();}
}

【数据结构】第五弹——Stack 和 Queue

文章目录一. 栈(Stack)1.1 概念1.2 栈的使用1.3 栈的模拟实现1.3.1 顺序表结构1.3.2 进栈压栈1.3.3 删除栈顶元素1.3.4 获取栈顶元素1.3.5 自定义异常 1.4 栈的应用场景1.改变元素序列2. 将递归转化为循环3. 四道习题 1.5 概念分区二. 队列(Queue)2.1 概念2.2 队列的使用2.3…...

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