【從今天開始好好學資料結構02】棧與佇列
目錄
- 1、理解棧與佇列
- 2、用程式碼談談棧
- 3、用程式碼談談佇列
我們今天主要來談談“棧”以及佇列這兩種資料結構。
回顧一下上一章中【資料結構01】陣列中,在陣列中只要知道資料的下標,便可通過順序搜尋很快查詢到資料,可以根據下標不同自由查詢,然而今天要講的“棧”以及佇列這兩種資料結構訪問是受限制的,只允許在一端讀取、插入和刪除資料,這時候對它存在的意義產生了很大的疑惑。因為會覺得,相比陣列和連結串列,棧帶給我的只有限制,並沒有任何優勢。那我直接使用陣列或者連結串列不就好了嗎?為什麼還要用這個“操作受限”的“棧”呢?事實上,從功能上來說,陣列或連結串列確實可以替代棧,但你要知道,特定的資料結構是對特定場景的抽象,而且,陣列或連結串列暴露了太多的操作介面,操作上的確靈活自由,但使用時就比較不可控,自然也就更容易出錯。
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1、理解棧與佇列
首先,如何理解“棧”?用現實一個通俗貼切的例子,我們平時放盤子的時候,都是從下往上一個一個放;取的時候,我們是從上往下一個一個地依次取,不能從中間任意抽出,先進後出,這就是典型的“棧”結構,當某個資料集合只涉及在一端插入和刪除資料,並且滿足後進先出、先進後出的特性,我們就應該首選“棧”這種資料結構。
其次如何理解佇列?同樣用現實一個通俗貼切的例子,平時在校的時候飯堂吃飯都是排隊,而且不能插隊,先進先出,這就是典型的佇列結構
2、用程式碼談談棧
實際上,棧既可以用陣列來實現,也可以用連結串列來實現。用陣列實現的棧,我們叫作順序棧,用連結串列實現的棧,我們叫作鏈式棧。不管是順序棧還是鏈式棧,我們儲存資料只需要一個大小為n的陣列就夠了。在入棧和出棧過程中,只需要一兩個臨時變數儲存空間,所以空間複雜度是O(1)。
注意,這裡儲存資料需要一個大小為n的陣列,並不是說空間複雜度就是O(n)。因為,這n個空間是必須的,無法省掉。所以我們說空間複雜度的時候,是指除了原本的資料儲存空間外,演算法執行還需要額外的儲存空間。
空間複雜度分析是不是很簡單?時間複雜度也不難。不管是順序棧還是鏈式棧,入棧、出棧只涉及棧頂個別數據的操作,所以時間複雜度都是O(1)。
還有一點,JVM記憶體管理中有個“堆疊”的概念。棧記憶體用來儲存區域性變數和方法呼叫,堆記憶體用來儲存Java中的物件。那JVM裡面的“棧”跟我們這裡說的“棧”是不是一回事呢?如果不是,那它為什麼又叫作“棧”呢?知道的大牛請自覺評論區見面~
2.1、用陣列實現的棧:順序棧
public class MyStack {
//棧的底層我們使用陣列來儲存資料
int[] elements;
public MyStack() {
elements = new int[0];
}
//壓入元素
public void push(int element) {
// 建立一個新的陣列
int[] newArr = new int[elements.length + 1];
// 把原陣列中的元素複製到新陣列中
for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
newArr[i] = elements[i];
}
// 把新增的元素放入新陣列中
newArr[elements.length] = element;
// 使用新陣列替換舊陣列
elements = newArr;
}
//取出棧頂元素
public int pop() {
//棧中沒有元素
if(elements.length==0) {
throw new RuntimeException("stack is empty");
}
//取出陣列的最後一個元素
int element = elements[elements.length-1];
//建立一個新的陣列
int[] newArr = new int[elements.length-1];
//原陣列中除了最後一個元素的其它元素都放入新的陣列中
for(int i=0;i<elements.length-1;i++) {
newArr[i]=elements[i];
}
//替換陣列
elements=newArr;
//返回棧頂元素
return element;
}
//檢視棧頂元素
public int peek() {
//棧中沒有元素
if(elements.length==0) {
throw new RuntimeException("stack is empty");
}
return elements[elements.length-1];
}
//判斷棧是否為空
public boolean isEmpty() {
return elements.length==0;
}
}
2.2、測試陣列實現的棧
import demo2.MyStack;
public class TestMyStack {
public static void main(String[] args) {
//建立一個棧
MyStack ms = new MyStack();
//壓入陣列
ms.push(9);
ms.push(8);
ms.push(7);
//最出棧頂元素
System.out.println(ms.pop());
System.out.println(ms.pop());
System.out.println(ms.pop());
//檢視棧頂元素
// System.out.println(ms.peek());
System.out.println(ms.isEmpty());
}
}
2.3、基於連結串列實現的棧:鏈式棧
package stack;
/**
* 基於連結串列實現的棧。
*/
public class StackBasedOnLinkedList {
private Node top = null;
public void push(int value) {
Node newNode = new Node(value, null);
// 判斷是否棧空
if (top == null) {
top = newNode;
} else {
newNode.next = top;
top = newNode;
}
}
/**
* 我用-1表示棧中沒有資料。
*/
public int pop() {
if (top == null) return -1;
int value = top.data;
top = top.next;
return value;
}
public void printAll() {
Node p = top;
while (p != null) {
System.out.print(p.data + " ");
p = p.next;
}
System.out.println();
}
private static class Node {
private int data;
private Node next;
public Node(int data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public int getData() {
return data;
}
}
}
3、用程式碼談談佇列
棧只支援兩個基本操作:入棧push()和出棧pop()。佇列跟棧非常相似,支援的操作也很有限,最基本的操作也是兩個:入隊enqueue(),放一個數據到佇列尾部;出隊dequeue(),從佇列頭部取一個元素。所以,佇列跟棧一樣,也是一種操作受限的線性表資料結構。佇列的概念很好理解,基本操作也很容易掌握。作為一種非常基礎的資料結構,佇列的應用也非常廣泛,特別是一些具有某些額外特性的佇列,比如迴圈佇列、阻塞佇列、併發佇列。它們在很多偏底層系統、框架、中介軟體的開發中,起著關鍵性的作用。比如高效能佇列Disruptor、Linux環形快取,都用到了迴圈併發佇列;Java concurrent併發包利用ArrayBlockingQueue來實現公平鎖等。
跟棧一樣,佇列可以用陣列來實現,也可以用連結串列來實現。用陣列實現的棧叫作順序棧,用連結串列實現的棧叫作鏈式棧。同樣,用陣列實現的佇列叫作順序佇列,用連結串列實現的佇列叫作鏈式佇列
3.1、陣列實現佇列:順序佇列
package queue;
// 用陣列實現的佇列
public class ArrayQueue {
// 陣列:items,陣列大小:n
private String[] items;
private int n = 0;
// head表示隊頭下標,tail表示隊尾下標
private int head = 0;
private int tail = 0;
// 申請一個大小為capacity的陣列
public ArrayQueue(int capacity) {
items = new String[capacity];
n = capacity;
}
// 入隊
public boolean enqueue(String item) {
// 如果tail == n 表示佇列已經滿了
if (tail == n) return false;
items[tail] = item;
++tail;
return true;
}
// 出隊
public String dequeue() {
// 如果head == tail 表示佇列為空
if (head == tail) return null;
// 為了讓其他語言的同學看的更加明確,把--操作放到單獨一行來寫了
String ret = items[head];
++head;
return ret;
}
public void printAll() {
for (int i = head; i < tail; ++i) {
System.out.print(items[i] + " ");
}
System.out.println();
}
}
3.2、連結串列實現的佇列:鏈式佇列
package queue;
/**
* 基於連結串列實現的佇列
*/
public class QueueBasedOnLinkedList {
// 佇列的隊首和隊尾
private Node head = null;
private Node tail = null;
// 入隊
public void enqueue(String value) {
if (tail == null) {
Node newNode = new Node(value, null);
head = newNode;
tail = newNode;
} else {
tail.next = new Node(value, null);
tail = tail.next;
}
}
// 出隊
public String dequeue() {
if (head == null) return null;
String value = head.data;
head = head.next;
if (head == null) {
tail = null;
}
return value;
}
public void printAll() {
Node p = head;
while (p != null) {
System.out.print(p.data + " ");
p = p.next;
}
System.out.println();
}
private static class Node {
private String data;
private Node next;
public Node(String data, Node next) {
this.data = data;
this.next = next;
}
public String getData() {
return data;
}
}
}
3.2、迴圈佇列
用陣列來實現佇列的時候會有資料搬移操作,這樣入隊操作效能就會受到影響。那有沒有辦法能夠避免資料搬移呢?我們來看看迴圈佇列的解決思路。
迴圈佇列,顧名思義,它長得像一個環。原本陣列是有頭有尾的,是一條直線。現在我們把首尾相連,扳成了一個環。
package queue;
public class CircularQueue {
// 陣列:items,陣列大小:n
private String[] items;
private int n = 0;
// head表示隊頭下標,tail表示隊尾下標
private int head = 0;
private int tail = 0;
// 申請一個大小為capacity的陣列
public CircularQueue(int capacity) {
items = new String[capacity];
n = capacity;
}
// 入隊
public boolean enqueue(String item) {
// 佇列滿了
if ((tail + 1) % n == head) return false;
items[tail] = item;
tail = (tail + 1) % n;
return true;
}
// 出隊
public String dequeue() {
// 如果head == tail 表示佇列為空
if (head == tail) return null;
String ret = items[head];
head = (head + 1) % n;
return ret;
}
public void printAll() {
if (0 == n) return;
for (int i = head; i % n != tail; ++i) {
System.out.print(items[i] + " ");
}
System.out.println();
}
}
好了,到這裡,總結一下佇列,佇列最大的特點就是先進先出,主要的兩個操作是入隊和出隊。跟棧一樣,它既可以用陣列來實現,也可以用連結串列來實現。用陣列實現的叫順序佇列,用連結串列實現的叫鏈式佇列。特別是長得像一個環的迴圈佇列。在陣列實現佇列的時候,會有資料搬移操作,要想解決資料搬移的問題,我們就需要像環一樣的迴圈佇列。
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