Java数据结构学习之栈和队列

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 ()

来源：https://blog.csdn.net/weixin_43510391/article/details/116379875