Java栈和队列 Java数据结构学习之栈和队列
愿美梦成真 人气:0一、栈
1.1 概述
Java为什么要有集合类: 临时存储数据。
链表的本质: 对象间通过持有和引用关系互相关联起来。
线性表: 普通线性表, 操作受限线性表(某些操作受到限制 --> 某一个线性表它的增删改操作受到限制) --> 栈 & 队列
1.1.1 线性表的概念
（1）线性表：n个数据元素的有序序列。
①首先，线性表中元素的个数是有限的。
②其次，线性表中元素是有序的。
（2）那这个”序”指的是什么呢？
①除表头和表尾元素外，其它元素都有唯一前驱和唯一后继，其唯一前驱或唯一后继确定了该元素在线性表中的位置。
②因此，线性表中，每个数据元素都有一个确定的位序，这个确定的位序我们称之为索引。 表头元素有唯一后继，无前驱，表尾元素有唯一前驱，无后继。
1.1.2 栈的概念
栈是一种”操作受限”的线性表，体现在只能在一端插入和删除数据，符合FILO的特性。
FILO: 先进后出,
LIFO: 后进先出
1.1.3 栈的应用
线性表和哈希表在以后工作中会最常用。
栈在实际工作中不常用
应用场景：
1.函数调用栈
2.反序字符串: 实现reNumber(str)方法,反转字符串(附代码) 。
public class DemoStack1 {
public static void main(String[] args) {
String str = "123456789";
String reStr = reStr(str);
System.out.println(reStr);
}
// 栈先进后出
public static String reStr(String str){
MyArrayStack<Character> stack = new MyArrayStack<>();
for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
stack.push(str.charAt(i));
}
StringBuffer buffer = new StringBuffer();
// 1 2 3 4 5 6 7 8 9
while (!stack.isEmpty()){
Character pop = stack.pop();
buffer.append(pop);
}
return buffer.toString();
}
}
3.括号匹配问题: 实现judgeBracket(str)方法来判断括号匹配 （附代码）。
public class DemoStack2 {
public static void main(String[] args) {
String str = "public class) DemoStack2 {public static void main(String[] args) {}}";
boolean bool = judgeBracket(str);
System.out.println(bool);
}
public static boolean judgeBracket(String str){
MyArrayStack<Character> stack = new MyArrayStack<>();
for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
char c = str.charAt(i);
// 判断c 是left括号, 然后入栈
if (c == '{'){
stack.push('}');
} else if (c == '['){
stack.push(']');
}else if (c == '('){
stack.push(')');
} else if (c == '}' || c == ')' || c == ']'){
Character pop = stack.pop();
if (c != pop){// 不匹配
return false;
}
}
}
return stack.isEmpty();
}
}
4.编译器利用栈实现表达式求值
5.浏览器的前进后退功能
6. 利用栈实现 DFS: depth-first-search 深度优先遍历(树 图)
编译器利用栈实现表达式求值
中缀表达式: 2 + 3 * 2 给人看的 , 运算符放到中间
前缀表达式: + 2 * 3 2 运算符放到之前
后缀表达式: 2 3 2 * + 运算符放到后面
// 中缀表达式转化为后缀:
// 遍历中缀表达式
// 遇到操作数输出
// 遇到操作符, 出栈, 直到遇到更低优先级的操作符, 操作符入栈
// 遍历完成, 全部弹栈
// 中缀表达式转化为前缀:
// 遍历中缀表达式: 逆序遍历
// 遇到操作数输出: 头插法
// 遇到操作符, 出栈, 只弹出更高优先级的操作符, 操作符入栈
// 遍历完成, 全部弹栈
二、队列
2.1 队列的概念
队列也是一种”操作受限”的线性表，体现在一端插入数据在另一端删除数据，特性是FIFO。
2.2 队列的实现
实现一个集合类
集合类: 数据容器
底层: 数组 or 链表
数据结构表现: 队列
(1)用数组实现一个队列。
/**
* 用数组实现一个队列
* 集合类角度: 数据容器
* 底层: 数组
* 表示: 队列
*/
public class MyArrayQueue <T> {
private final int MAX_CAPACITY = Integer.MAX_VALUE - 8;
private final int INIT_CAPACITY = 16;
private Object[] objs;
private int size;
private int head;// 头的下标
private int end;// 尾的下标
public MyArrayQueue(){
objs = new Object[INIT_CAPACITY];
}
public MyArrayQueue(int initCapcity){
if (initCapcity <= 0 || initCapcity > MAX_CAPACITY) throw new IllegalArgumentException("" + initCapcity);
objs = new Object[initCapcity];
}
public boolean offer(T t){
// 如果数组满了
if (size == objs.length){
int newLen = getLen();
grow(newLen);
}
// 可以添加
if (isEmpty()){
// 没有任何元素存储: 新添加的元素就是唯一的元素
objs[head] = t;
end = head;
size++;
return true;
} else {
// 原本存储就有内容
// 尾后移一位
end = (end + 1) % objs.length;
objs[end] = t;
size++;
return true;
}
}
private void grow(int newLen) {
Object[] newArr = new Object[newLen];
for (int i = 0; i < objs.length; i++) {
int index = (head + i) % objs.length;
newArr[i] = objs[index];
}
objs = newArr;
head = 0;
end = size - 1;
}
private int getLen() {
int oldLen = objs.length;
int newLen = oldLen << 1;
// 判断新长度是否溢出
if (newLen <= 0 || newLen > MAX_CAPACITY){
newLen = MAX_CAPACITY;
}
// 如果新长度和旧长度一样
if (newLen == oldLen)throw new RuntimeException("stack can not add");
return newLen;
}
public T poll(){
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("queue is empty");
if (size == 1){
// 原队列中只剩一个元素
T oldValue = (T)objs[head];
head = 0;
end = 0;
size--;
return oldValue;
} else {
// 队列中超过一个元素
T oldValue = (T)objs[head];
head = (head + 1) % objs.length;
size--;
return oldValue;
}
}
public T peek(){
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("queue is empty");
return (T)objs[head];
}
public int size() {
return size;
}
public boolean isEmpty(){
return size == 0;
}
}
（2）用链表实现一个链表。
public class MyLinkedQueue <T> {
private Node head;// 队头
private Node end; // 队尾
private int size;
// 添加 offer
// 删除 poll
// 查看队头元素 peek
public boolean offer(T t){
// 如果原队列为空
if (isEmpty()){// 原队列空
// 让头尾都指向这个新加的结点
head = new Node(t, null);
end = head;
size++;
return true;
}
// 原队列不空
// 把这个元素添加到队尾
end.next = new Node(t, null);
end = end.next;// end后移
size++;
return true;
}
public T poll(){
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("queue is empty");
if (size == 1){
// 代表着, 链表中只有一个元素
T oldVlaue = head.value;
head = null;
end = null;
size--;
return oldVlaue;
}else {
T oldVlaue = head.value;
head = head.next;
size--;
return oldVlaue;
}
}
public T peek(){
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("queue is empty");
return head.value;
}
public boolean isEmpty(){
return size == 0;
}
public int size(){
return size;
}
class Node{
T value;
Node next;
public Node(T value, Node next) {
this.value = value;
this.next = next;
}
}
}
2.3 队列的应用
（1）队列更不常用(自己写代码使用不常用):
（2）常见, 很多jdk源码, 中间件的源码上 很多地方使用了队列
Eg:
①生产者消费者问题
生产者 – 消费者
生产者: 厨师
消费者: 吃面包的人
桌子: 放面包的地方
②线程池
线程池: 任务
生产者: 产生任务
消费者: 线程
桌子: 队列
③生态环境:
第三方轮子: 要看懂
Maven
④消息队列和缓存。
（3）普通队列的应用场景是很有限的，一般在工程中用到的是阻塞队列。
①阻塞队列(有一个队列, 大小一定)：常用于生产者-消费者模型中。
当队列满的时候，入队列就阻塞。
当队列空的时候，出队列就阻塞。
②利用队列实现 BFS:breadth first search 广度优先搜索/ 遍历 ()
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