栈和队列

2023-05-01 23:49| 来源: 网络整理| 查看: 265

1、引言 2、栈 3、队列

引言

栈和队列都是动态集合，可以理解为线性表或线性表实现的数据结构。它可以由数组实现，也可以由链表实现。

和数组链表等不一样的是，栈、队列添加、删除数据的位置都是预先设定的。在栈中，被删除的是最近被插入的元素，栈实现的是一种先进后出的策略。而队列中，被删去的总是在集合中存在时间最长的元素，队列实现的是一种先进先出的策略。

栈和队列是非常有用的数据结构，在计算机中很多的地方使用了栈、队列的思想。函数执行的压栈及出栈，消息队列的使用等等。本文最后将介绍栈和队列的常见使用场景，递归转化。

栈

栈的常用操作为以下四种

push，在栈顶插入一个元素 pop，弹出栈顶的元素 peek，查看栈顶元素 getSize，查看栈内元素的个数

本文中栈由数组实现。

由于入栈和出栈的操作都只集中在栈顶，所以栈实现中，必须定义变量mTop，用于标记当前栈顶位置。

插入操作，在mTop位置上插入新元素，mTop自增即可。

出栈操作，返回mTop自减后的位置的元素。

获取栈内元素个数，即为mTop值大小。

private int mTop = 0; private static final int MAX = 20; private Object[] mArray = null; public DemoStack(){ mTop = 0; mArray = new Object[MAX]; } public int getSize(){ return mTop; } public boolean push(T e){ if (mTop < MAX) { mArray[mTop] = e; mTop ++; return true; } System.out.println("stack is full"); return false; } public boolean isEmpty(){ return mTop == 0; } public T pop(){ if (mTop == 0) { System.out.println("stack is empty"); return null; } T e = (T) mArray[--mTop]; return e; } public T peek(){ int index = mTop - 1; return (T) mArray[index]; } 复制代码

栈的实现比较简单，但栈的用处非常大。

在java虚拟机中，函数的调用，会生成一个个函数调用栈，等函数执行完毕，得到函数的返回值，出栈，回到之前调用函数的地方。递归能简便解决非常多的问题，但递归有个最大的问题就是执行效率不高，因为函数调用的次数太多了。结合java虚拟机的函数调用思想，可否优化递归呢？因为递归本质上是将某一个状态的结果保存在栈中，再计算另外一个状态。如果不用递归，也可以使用栈数据结构来保存部分结果。

栈的使用场景之一，就是递归转化，使用栈保存部分结果，取结果再计算下一个状态的结果。二叉树的遍历分为前序遍历，中序遍历，后序遍历，递归实现非常简单，也可以使用栈将递归转化。

前序遍历非常简单，是三种遍历中转化最容易的一种。

public void preTraverseByStack(Node root) { if (root == null) { return; } DemoStack stack = new DemoStack(); stack.push(root); Node temp = null; while (!stack.isEmpty()) { temp = stack.pop(); System.out.print(temp + " "); if (temp.hasRightChild()) { stack.push(temp.getRightChild()); } if (temp.hasLeftChild()) { stack.push(temp.getLeftChild()); } } System.out.println(); } 复制代码

中序遍历开始有一定困难了，中序遍历必须先遍历左子树，所以需要找到最左最下方的叶子结点。如果栈中元素值为空，则说明此元素的子元素已经被遍历过了或者不需要处理了。

public void middleTraverseByStack(Node root){ if (root == null) { return; } DemoStack stack = new DemoStack(); stack.push(root); Node temp = null; while (!stack.isEmpty()) { while (stack.peek() != null && stack.peek().hasLeftChild()) { stack.push(stack.peek().getLeftChild()); } if (stack.peek() == null) { stack.pop(); } if (!stack.isEmpty()) { temp = stack.pop(); System.out.print(temp + " "); stack.push(temp.getRightChild()); } } System.out.println(); } 复制代码

后序遍历是三种转化中最难的，它需要先遍历左右子树才行，因为需要使用两个临时变化，记录之前遍历的结点和当前结点。

public void lastTraverseByStack(Node root){ if (root == null) { return; } DemoStack stack = new DemoStack(); stack.push(root); Node cur = null; Node pre = null; while (!stack.isEmpty()) { cur = stack.peek(); if ((cur.getLeftChild() == null && cur.getRightChild() == null) || (pre != null && (pre == cur.getLeftChild() || pre == cur.getRightChild()))) { System.out.print(cur + " "); stack.pop(); pre = cur; }else { if (cur.hasRightChild()) { stack.push(cur.getRightChild()); } if (cur.hasLeftChild()) { stack.push(cur.getLeftChild()); } } } } 复制代码

栈的使用场景还有很多，例如四则运算等等。在具体场景中，只要采用了合适的数据结构，事半功倍！

队列

队列的常用操作为：

enqueue，入队，在队列头部插入元素 dequeue，出队，在队列尾部删除元素 getSize，获取队列元素个数

因为队列需要在队列头部和尾部进行元素操作，所以需要两个指针，一个指向头部，一个指向尾部。

队列比栈复杂，队列涉及循环问题。如果使用队列装满元素，再删除所有元素，此时再添加新的元素，虽然队列的mTop值已经是最大了，但尾部仍有空间，需要需要在尾部添加元素。导致mTop值会比mTail值小。

private int mTop; private int mTail; private static final int MAX = 10; private Object[] mArray; private int mLength = 0; public DemoQueue(){ mTop = mTail = 0; mArray = new Object[MAX]; mLength = 0; } public int getSize(){ return mLength; } public boolean enqueue(T e){ if (getSize() == MAX) { System.out.println("queue is full"); return false; } if (mTop == MAX) { mTop -= MAX; } mArray[mTop] = e; mTop ++; mLength++; return true; } public T dequeue(){ if (getSize() == 0) { System.out.println("queue is empty"); return null; } int index = mTail; mTail++; if (mTail == MAX) { mTail -= MAX; } mLength--; return (T) mArray[index]; } 复制代码

队列和栈一样是非常重要的数据结构，在日常开发中常常用到消息队列，可能会接到某个需要，不允许漏掉任何一个消息，此时就可以使用队列完成需求。本例中，使用队列遍历二叉树，且是从上到下从左到右的水平遍历。

public void traverse(Node root){ if (root == null) { return; } DemoQueue queue = new DemoQueue(); queue.enqueue(root); Node temp = null; while (queue.getSize() > 0) { temp = queue.dequeue(); System.out.print(temp + " "); if (temp.hasLeftChild()) { queue.enqueue(temp.getLeftChild()); } if (temp.hasRightChild()) { queue.enqueue(temp.getRightChild()); } } System.out.println(); } 复制代码

本文中所有代码均已上传到本人的github空间，欢迎访问。

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