《Java初阶数据结构》----4.＜线性表---Stack栈和Queue队列＞

用户11288958

发布于 2024-09-24 15:04:33

770

发布于 2024-09-24 15:04:33

文章被收录于专栏：学习

前言

大家好，我目前在学习java。之前也学了一段时间，但是没有发布博客。时间过的真的很快。我会利用好这个暑假，来复习之前学过的内容，并整理好之前写过的博客进行发布。如果博客中有错误或者没有读懂的地方。热烈欢迎大家在评论区进行讨论！！！喜欢我文章的兄弟姐妹们可以点赞，收藏和评论我的文章。喜欢我的兄弟姐妹们以及也想复习一遍java知识的兄弟姐妹们可以关注我呦，我会持续更新滴，望支持！！！！！！一起加油呀！！！！

语言只是工具，不能决定你好不好找工作，决定你好不好找工作的是你的能力！！！！！

学历本科及以上就够用了！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

本篇博客主要讲解Java基础语法中的一、栈 1. 栈的概念 2. 栈的使用 3. 栈的模拟实现 4. 栈的常见编程题二、队列 1. 队列的概念 2. 队列的使用 3.队列的模拟实现 4.队列的循环设计三、双端队列

一、栈（stack）

1.1 栈的概念

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。

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。

Stack继承了Vector，Vector和ArrayList类似，都是动态的顺序表，不同的是Vector是线程安全的。

1.2 栈的使用

代码示例：

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

1.3 栈的模拟实现

变量的定义、包含定义一个数组存储栈、记录栈中元素个数、定义一个静态常量便于初始化栈

    private int[] elem;//定义一个数组来存储栈中元素
    private int useSize;//记录栈中元素
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;//定义一个静态常量

获取栈的长度的方法

    public int getUseSize() {
        return useSize;
    }

栈的有参构造方法。构造一个容量为DEFAULT_CAPACITY的栈

    //构造一个容量为DEFAULT_CAPACITY的栈
    public MyStack(){
        this.elem = new int[DEFAULT_CAPACITY];
    }

检测栈是否满了

    //检测栈是否满了
    private boolean isFull(){
        return this.useSize == this.elem.length;
    }

入栈：将val放入栈

    //将val放入栈
    public void push(int val){
        if (isFull()){
            this.elem = Arrays.copyOf(this.elem,2*this.elem.length);
        }
        this.elem[useSize++] = val;
    }

出栈：将栈顶元素取出并返回

    //将栈顶元素取出并返回
    public int pop(){
        if (isEmpty()){
            throw new EmptyException("Stack为空！");
        }
        return elem[--useSize];
    }

获取栈顶元素

    //获取栈顶元素
    public int peek(){
        if (isEmpty()){
            throw new EmptyException("Stack为空！");
        }
        return elem[useSize-1];
    }

检测栈是否为空

    //检测栈是否为空
    private boolean isEmpty(){
        return this.useSize == 0;
    }

1.4 栈的常见编程题

1.有效的括号

    public boolean isValid(String s) {
        Stack<Character> stack = new Stack<>(); 
//判断是否为有效的括号，具有先进后匹配的特点，因此我们用栈。首先创建一个栈
        int len = s.length(); //首先得到字符串长度
        if (len == 0) {       //如果字符串为空，则返回true
            return true;
        }
        if (len % 2 == 1) {   //括号成双成对，因此如果字符串为奇数，那么直接返回false
            return false; 
        } else {     //如果为偶数，符合预期则，将字符串转字符数组。遍历这个字符数组
            char[] chars = s.toCharArray();
            for (char ch : chars
            ) {            
                if (ch == '(' || ch == '[' || ch == '{') { //如果为左括号，则入栈。
                    stack.push(ch);
                }
                if (!stack.empty()) { //如果有左括号，到这里栈一定不为空。如果栈为空，则返回false，因为先得有左括号才会是有效括号
                //接下来判断右括号，如果遍历到右括号，那么必有栈顶元素与之配对才会是有效括号，并出栈栈顶元素。否则返回false。
                    if (ch == '}') {
                        if (stack.pop() != '{') {
                            return false;
                        }
                    }
                    if (ch == ']') {
                        if (stack.pop() != '[') {
                            return false;
                        }
                    }
                    if (ch == ')') {
                        if (stack.pop() != '(') {
                            return false;
                        }
                    }
                } else { 
                    return false;
                }
            }
        } 
        //最终判断栈是否为空，若全是左括号，那么就没有出栈。因此如果栈内有元素则为false。若匹配成功
        //栈为空，返回true
        return stack.empty();
    }

2.逆波兰表达式求值

import java.util.Stack;
//运算方法是将数字入栈，如果碰到运算符号。则出栈将第一个出栈元素放在运算符右边，第二个出栈元素放入运算符左边
//计算这个结果，并将这个计算结果入栈。重复以上操作。即可计算出逆波兰表达式的值。
public class Solution {
    public int evalRPN(String[] tokens) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        int right;
        int left;   
        for (String token:tokens
             ) {
            switch (token){
                case "+":
                    stack.push(stack.pop()+stack.pop());
                    break;
                case "-":
                    right = stack.pop();
                    left = stack.pop();
                    stack.push(left-right);
                    break;
                case "*":
                    stack.push(stack.pop()*stack.pop());
                    break;
                case "/":
                    right = stack.pop();
                    left = stack.pop();
                    stack.push(left/right);
                    break;
                default:stack.push(Integer.parseInt(token)); //注意这里放入栈的时候要将字符串转整型类型
            }
        }
        return stack.peek();
    }
}

1.运算方法是将数字入栈，如果碰到运算符号。则出栈将第一个出栈元素放在运算符右边，第二个出栈元素放入运算符左边 2.计算这个结果，并将这个计算结果入栈。重复以上操作。即可计算出逆波兰表达式的值。

3.栈的压入、弹出序列

import java.util.Stack;
public class Solution {
    public boolean IsPopOrder(int [] pushA,int [] popA) {
        int n = pushA.length;
        //辅助栈
        Stack<Integer> s = new Stack<>();
        //遍历入栈的下标
        int j = 0;
        //遍历出栈的数组
        for(int i = 0; i < n; i++){
            //入栈：栈为空或者栈顶不等于出栈数组
            while(j < n && (s.isEmpty() || s.peek() != popA[i])){
                s.push(pushA[j]);
                j++;
            }
            //栈顶等于出栈数组
            if(s.peek() == popA[i])
                s.pop();
            //不匹配序列
            else
                return false;
        }
        return true;
    }
}

4.最小栈

class MinStack {
    Deque<Integer> xStack;
    Deque<Integer> minStack;

    public MinStack() {
        xStack = new LinkedList<Integer>();
        minStack = new LinkedList<Integer>();
        minStack.push(Integer.MAX_VALUE);
    }
    
    public void push(int x) {
        xStack.push(x);
        minStack.push(Math.min(minStack.peek(), x));
    }
    
    public void pop() {
        xStack.pop();
        minStack.pop();
    }
    
    public int top() {
        return xStack.peek();
    }
    
    public int getMin() {
        return minStack.peek();
    }
}

1.5栈的应用场景

将递归转化为循环

比如：逆序打印链表

递归方式

// 递归方式
void printList(Node head){
    if(null != head){
        printList(head.next);
        System.out.print(head.val + " ");
   }
}

循环方式

// 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 + " ");
   }
}

二、队列

2.1队列的概念

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：进行删除操作的一端称为队头（Head/Front）

在Java中，Queue是个接口，底层是通过链表实现的。

2.2 队列的使用

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。

public static void main(String[] args) {
    Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
    q.oﬀer(1);
    q.oﬀer(2);
    q.oﬀer(3);
    q.oﬀer(4);
    q.oﬀer(5);                  // 从队尾入队列
    System.out.println(q.size());
    System.out.println(q.peek());  // 获取队头元素
    
    q.poll();
    System.out.println(q.poll());  // 从队头出队列，并将删除的元素返回
    
    if(q.isEmpty()){
        System.out.println("队列空");
   }else{
        System.out.println(q.size());
   }
}

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。思考下：队列的实现使用顺序结构还是链式结构好？

定义变量、用内部类定义队列的的节点、队头、队尾、队员数

    static class ListNode{
        private int val;
        private ListNode prev;
        private ListNode next;

        public ListNode(int val){
            this.val = val;
        }

    private ListNode front;//队头
    private ListNode rear;//队尾

    private int useSize;//队员数

    }

得到队员数

    public int getUseSize() {
        return useSize;
    }

入队

    //入队操作，相当于头插法
    public void offer(int x){
        ListNode node = new ListNode(x);
        if(front == null){
            front = rear = node;
        }else {
            node.next = front;
            front.prev = node;
            front = node;
        }
        useSize++;
    }

出队

    //出队操作，相当于删除尾节点
    public int poll(){
        if(rear == null){
            return -1;
        }
        int ret = rear.val;
        if(front == rear){
            front = null;
            rear = null;
            return ret;
        }
        rear = rear.prev;
        rear.next = null;
        useSize--;
        return ret;
    }

获取队头元素

    //获取队头元素
    public int peek(){
        if(front == null){
            return -1;
        }
        return front.val;
    }

检测队列是否为空

    //检测队列是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return this.useSize == 0;
    }

2.4 循环队列

实际中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的生产者消费者模型就可以就会使用循环队列。环形队列通常使用数组实现。

数组下标循环的小技巧

1. 下标最后再往后(oﬀset 小于 array.length): index = (index + oﬀset) % array.length

2. 下标最前再往前(oﬀset 小于 array.length): index = (index + array.length - oﬀset) % array.length

如何区分空与满
1. 通过添加 size 属性记录 2. 保留一个位置 3. 使用标记

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。

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。

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

2.5设计循环队列

class MyCircularQueue {
    private int front;
    private int rear;
    private int capacity;
    private int[] elements;

    public MyCircularQueue(int k) {
        capacity = k + 1;
        elements = new int[capacity];
        rear = front = 0;
    }

    public boolean enQueue(int value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        elements[rear] = value;
        rear = (rear + 1) % capacity;
        return true;
    }

    public boolean deQueue() {
        if (isEmpty()) {
            return false;
        }
        front = (front + 1) % capacity;
        return true;
    }

    public int Front() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elements[front];
    }

    public int Rear() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elements[(rear - 1 + capacity) % capacity];
    }

    public boolean isEmpty() {
        return rear == front;
    }

    public boolean isFull() {
        return ((rear + 1) % capacity) == front;
    }
}

四、面试题

1.用队列实现栈

class MyStack {
    Queue<Integer> queue1;
    Queue<Integer> queue2;

    /** Initialize your data structure here. */
    public MyStack() {
        queue1 = new LinkedList<Integer>();
        queue2 = new LinkedList<Integer>();
    }
    
    /** Push element x onto stack. */
    public void push(int x) {
        queue2.offer(x);
        while (!queue1.isEmpty()) {
            queue2.offer(queue1.poll());
        }
        Queue<Integer> temp = queue1;
        queue1 = queue2;
        queue2 = temp;
    }
    
    /** Removes the element on top of the stack and returns that element. */
    public int pop() {
        return queue1.poll();
    }
    
    /** Get the top element. */
    public int top() {
        return queue1.peek();
    }
    
    /** Returns whether the stack is empty. */
    public boolean empty() {
        return queue1.isEmpty();
    }
}

2.用栈实现队列

class MyQueue {
    Deque<Integer> inStack;
    Deque<Integer> outStack;

    public MyQueue() {
        inStack = new ArrayDeque<Integer>();
        outStack = new ArrayDeque<Integer>();
    }

    public void push(int x) {
        inStack.push(x);
    }

    public int pop() {
        if (outStack.isEmpty()) {
            in2out();
        }
        return outStack.pop();
    }

    public int peek() {
        if (outStack.isEmpty()) {
            in2out();
        }
        return outStack.peek();
    }

    public boolean empty() {
        return inStack.isEmpty() && outStack.isEmpty();
    }

    private void in2out() {
        while (!inStack.isEmpty()) {
            outStack.push(inStack.pop());
        }
    }
}

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原始发表：2024-09-24，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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