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java中栈和队列的分析

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  《p》栈《/p》《p》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。《/p》《p》栈的基本定义《/p》《p》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。《/p》《p》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)。《/p》《p》对于一个栈不包含任何元素,那么这个栈就被称为空栈。 《br》 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:《/p》《p》stack.PNG 《br》 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。《/p》《p》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。《/p》《p》栈的常用操作《/p》《p》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:《/p》《p》获取指定索引处的元素 《br》 按值查找数据元素的位置 《br》 向指定索引处插入数据元素 《br》 删除指定元素索引处的数据元素 《br》 从上面这个方法可以看出,栈不应该提供从中间任意位置 《br》 访问元素的方法。也就是说,栈只允许在栈顶插入,删除元素。 《br》 栈的常用操作如下: 《br》 初始化:通常是一个构造器,用于创建一个空栈 《br》 返回栈的长度:该方法用于返回栈中数据元素的个数 《br》 入栈:向栈的栈顶插入一个数据元素,栈的长度+1 《br》 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 《br》 访问栈顶元素:返回栈顶的数据元素,但不删除栈顶元素 《br》 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. 《br》 清空栈:将栈清空 《br》 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。《/p》《p》栈的顺序存储结构及实现《/p》《p》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:《/p》《p》stack_sort.PNG 《br》 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。《/p》《p》1.进栈《/p》《p》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:《/p》《p》inTI_stack.PNG 《br》 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。《/p》《p》1.出栈《/p》《p》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。《/p》《p》让记录栈内元素个数的变量减1. 《br》 释放数组对栈顶元素的引用。 《br》 出栈操作示意图如下图:《/p》《p》out_stack.PNG 《br》 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。《/p》《p》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。《/p》《p》栈的链式存储结构及实现《/p》《p》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:《/p》《p》linked_stack.PNG 《br》 1.进栈《/p》《p》对于栈链的进栈操作,程序只需要做如下两件事: 《br》 -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。《/p》《p》让记录栈内元素个数的size变量加1. 《br》 进栈操作示意图如下:《/p》《p》into_linked_stack.PNG 《br》 2.出栈《/p》《p》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:《/p》《p》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 《br》 让记录栈内元素个数的size变量减1. 《br》 出栈操作示意图如下:《/p》《p》out_linked_stack.PNG 《br》 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。《/p》《p》java集合中的栈《/p》《p》Java集合实际上提供两种栈供开发者使用:《/p》《p》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 《br》 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。 《br》 队列《/p》《p》队列的基本定义《/p》《p》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。《/p》《p》如果队列中不包含任何元素,该队列就被称为空队列。《/p》《p》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:《/p》《p》queue.PNG 《br》 队列的常用操作《/p》《p》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:《/p》《p》获取指定索引处的元素 《br》 按值查找数据元素的位置 《br》 向指定索引处插入数据元素 《br》 删除指定索引处的数据元素 《br》 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。 《br》 队列的常用操作如下: 《br》 初始化:通常是一个构造器,用于创建一个空队列 《br》 返回队列的长度:该方法用十返回队列中数据元素的个数。 《br》 加入元索:向队列的rear端插入一个数据元素,队列的长度+1 《br》 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。 《br》 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。 《br》 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 《br》 清空队列:将队列清空 《br》 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。《/p》《p》队列的顺序存储结构及实现《/p》《p》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:《/p》《p》queue_sort.PNG 《br》 顺序队列可能会造成假满的问题,程序有如下解决方:《/p》《p》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”。 《br》 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。 《br》 循环队列《/p》《p》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。《/p》《p》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:《/p》《p》circulation.PNG 《br》 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。《/p》《p》队列的链式存储结构及实现《/p》《p》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。《/p》《p》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:《/p》《p》queue_llinked.PNG《/p》《p》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。《/p》《p》1.插入队列《/p》《p》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。《/p》《p》queue_linked_insert.PNG 《br》 2.移除队列《/p》《p》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:《/p》《p》queue_linked_delete.PNG 《br》 Java集合中的队列《/p》《p》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:《/p》《p》插入:在队列的rear端插入元素 《br》 移除:在队列的front端删除元素 《br》 访问:访问队列的front端元素 《br》 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。《/p》《p》版本 抛出异常的版本 具有特殊返回值的版本 《br》 插入 add(e) offer(e) 《br》 移除 remove() poll() 《br》 访问 element() peek() 《br》 双端队列《/p》《p》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:《/p》《p》double_queue.PNG 《br》 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:《/p》《p》double_queue_relation.PNG 《br》 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。《/p》《p》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。《/p》《p》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。《/p》《p》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。 《br》 LinkedList_relation.PNG 《br》 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。《/p》《p》大家可以点击加入群:478052716【JAVA高级程序员】里面有Java高级大牛直播讲解知识点走的就是高端路线(如果你想跳槽换工作但是技术又不够或者工作上遇到了瓶颈我这里有一个JAVA的免费直播课程讲的是高端的知识点基础不好的误入哟只要你有1-5年的开发经验可以加群找我要课堂链接 注意:是免费的 没有开发经验误入哦)

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