棧

一、什么是棧？

1.后進者先出，先進者后出，這就是典型的“棧”結構。
2.從棧的操作特性來看，是一種“操作受限”的線性表，只允許在端插入和刪除數據。

二、為什么需要棧？

1.棧是一種操作受限的數據結構，其操作特性用數組和鏈表均可實現。
2.但，任何數據結構都是對特定應用場景的抽象，數組和鏈表雖然使用起來更加靈活，但卻暴露了幾乎所有的操作，難免會引發錯誤操作的風險。
3.所以，當某個數據集合只涉及在某端插入和刪除數據，且滿足后進者先出，先進者后出的操作特性時，我們應該首選棧這種數據結構。

三、如何實現棧？

1.棧的API
public class Stack {
//壓棧
public void push(Item item){}
//彈棧
public Item pop(){}
//是否為空
public boolean isEmpty(){}
//棧中數據的數量
public int size(){}
//返回棧中最近添加的元素而不刪除它
public Item peek(){}
}

實現

2.1 數組實現（自動擴容）

時間復雜度分析：根據均攤復雜度的定義，可以得數組實現（自動擴容）符合大多數情況是O(1)級別復雜度，個別情況是O(n)級別復雜度，比如自動擴容時，會進行完整數據的拷貝。
空間復雜度分析：在入棧和出棧的過程中，只需要一兩個臨時變量存儲空間，所以O(1)級別。我們說空間復雜度的時候，是指除了原本的數據存儲空間外，算法運行還需要額外的存儲空間。

// 基于數組實現的順序棧 public class ArrayStack {private String[] items; // 數組private int count; // 棧中元素個數private int n; //棧的大小// 初始化數組，申請一個大小為n的數組空間public ArrayStack(int n) {this.items = new String[n];this.n = n;this.count = 0;}// 入棧操作public boolean push(String item) {// 數組空間不夠了，直接返回false，入棧失敗。if (count == n) return false;// 將item放到下標為count的位置，并且count加一items[count] = item;++count;return true;}// 出棧操作public String pop() {// 棧為空，則直接返回nullif (count == 0) return null;// 返回下標為count-1的數組元素，并且棧中元素個數count減一String tmp = items[count-1];--count;return tmp;} }

2.2 鏈表實現

時間復雜度分析：壓棧和彈棧的時間復雜度均為O(1)級別，因為只需更改單個節點的索引即可。
空間復雜度分析：在入棧和出棧的過程中，只需要一兩個臨時變量存儲空間，所以O(1)級別。我們說空間復雜度的時候，是指除了原本的數據存儲空間外，算法運行還需要額外的存儲空間。
實現代碼：（見另一條留言）

public class StackOfLinked<Item> implements Iterable<Item> { //定義一個內部類，就可以直接使用類型參數 private class Node{ Item item; Node next; } private Node first; private int N; //構造器 public StackOfLinked(){} //添加 public void push(Item item){ Node oldfirst = first; first = new Node(); first.item = item; first.next = oldfirst; N++; } //刪除 public Item pop(){ Item item = first.item; first = first.next; N--; return item; } //是否為空 public boolean isEmpty(){ return N == 0; } //元素數量 public int size(){ return N; } //返回棧中最近添加的元素而不刪除它 public Item peek(){ return first.item; } @Override public Iterator<Item> iterator() { return new LinkedIterator(); } //內部類：迭代器 class LinkedIterator implements Iterator{ int i = N; Node t = first; @Override public boolean hasNext() { return i > 0; } @Override public Item next() { Item item = (Item) t.item; t = t.next; i--; return item; } } }

三、棧的應用

1.棧在函數調用中的應用

操作系統給每個線程分配了一塊獨立的內存空間，這塊內存被組織成“棧”這種結構，用來存儲函數調用時的臨時變量。每進入一個函數，就會將其中的臨時變量作為棧幀入棧，當被調用函數執行完成，返回之后，將這個函數對應的棧幀出棧。

2.棧在表達式求值中的應用（比如：34+13*9+44-12/3）

利用兩個棧，其中一個用來保存操作數，另一個用來保存運算符。我們從左向右遍歷表達式，當遇到數字，我們就直接壓入操作數棧；當遇到運算符，就與運算符棧的棧頂元素進行比較，若比運算符棧頂元素優先級高，就將當前運算符壓入棧，若比運算符棧頂元素的優先級低或者相同，從運算符棧中取出棧頂運算符，從操作數棧頂取出2個操作數，然后進行計算，把計算完的結果壓入操作數棧，繼續比較。

3.棧在括號匹配中的應用（比如：{}{()}）

用棧保存為匹配的左括號，從左到右一次掃描字符串，當掃描到左括號時，則將其壓入棧中；當掃描到右括號時，從棧頂取出一個左括號，如果能匹配上，則繼續掃描剩下的字符串。如果掃描過程中，遇到不能配對的右括號，或者棧中沒有數據，則說明為非法格式。
當所有的括號都掃描完成之后，如果棧為空，則說明字符串為合法格式；否則，說明未匹配的左括號為非法格式。

4.如何實現瀏覽器的前進后退功能？

我們使用兩個棧X和Y，我們把首次瀏覽的頁面依次壓如棧X，當點擊后退按鈕時，再依次從棧X中出棧，并將出棧的數據一次放入Y棧。當點擊前進按鈕時，我們依次從棧Y中取出數據，放入棧X中。當棧X中沒有數據時，說明沒有頁面可以繼續后退瀏覽了。當Y棧沒有數據，那就說明沒有頁面可以點擊前進瀏覽了。

JVM 內存管理中有個“堆棧”的概念。棧內存用來存儲局部變量和方法調用，堆內存用來存儲 Java 中的對象。那 JVM 里面的“棧”跟數據結構中的“棧”是不是一回事呢？

內存中的堆棧和數據結構堆棧不是一個概念，可以說內存中的堆棧是真實存在的物理區，數據結構中的堆棧是抽象的數據存儲結構。
內存空間在邏輯上分為三部分：代碼區、靜態數據區和動態數據區，動態數據區又分為棧區和堆區。

• 代碼區：存儲方法體的二進制代碼。高級調度（作業調度）、中級調度（內存調度）、低級調度（進程調度）控制代碼區執行代碼的切換。
• 靜態數據區：存儲全局變量、靜態變量、常量，常量包括final修飾的常量和String常量。系統自動分配和回收。
• 棧區：存儲運行方法的形參、局部變量、返回值。由系統自動分配和回收。
• 堆區：new一個對象的引用或地址存儲在棧區，指向該對象存儲在堆區中的真實數據。

leetcode上關于棧的題目：20,155,232,844,224,682,49

隊列

一、什么是隊列？

1.先進者先出，這就是典型的“隊列”結構。
2.支持兩個操作：入隊enqueue()，放一個數據到隊尾；出隊dequeue()，從隊頭取一個元素。
3.所以，和棧一樣，隊列也是一種操作受限的線性表。

二、如何實現隊列？

1.隊列API

public interface Queue {
public void enqueue(T item); //入隊
public T dequeue(); //出隊
public int size(); //統計元素數量
public boolean isNull(); //是否為空
}

2.實現

** 2.1 數組**

// 用數組實現的隊列 public class ArrayQueue {// 數組：items，數組大小：nprivate 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的數組public ArrayQueue(int capacity) {items = new String[capacity];n = capacity;}// 入隊public boolean enqueue(String item) {// 如果tail == n 表示隊列已經滿了if (tail == n) return false;items[tail] = item;++tail;return true;}// 出隊public String dequeue() {// 如果head == tail 表示隊列為空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;}// 入隊操作，將item放入隊尾,如圖public boolean enqueue(String item) {// tail == n表示隊列末尾沒有空間了if (tail == n) {// tail ==n && head==0，表示整個隊列都占滿了if (head == 0) return false;// 數據搬移for (int i = head; i < tail; ++i) {items[i-head] = items[i];}// 搬移完之后重新更新head和tailtail -= head;head = 0;}items[tail] = item;++tail;return true;} }

2.2 循環鏈表思想
關鍵隊空條件 head == tail
隊滿判斷條件 (tail+1)%n=head

public class CircularQueue {// 數組：items，數組大小：nprivate 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的數組public CircularQueue(int capacity) {items = new String[capacity];n = capacity;}// 入隊public boolean enqueue(String item) {// 隊列滿了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 表示隊列為空if (head == tail) return null;String ret = items[head];head = (head + 1) % n;return ret;} }

2.3 鏈表實現

public class LinkedQueue { //定義一個節點類 private class Node{ String value; Node next; } //記錄隊列元素個數 private int size = 0; //head指向隊頭結點，tail指向隊尾節點 private Node head; private Node tail; //申請一個隊列 public LinkedQueue(){} //入隊 public boolean enqueue(String item){ Node newNode = new Node(); newNode.value = item; if (size == 0) head = newNode; else tail.next = newNode; tail = newNode; size++; return true; } //出隊 public String dequeue(){ String res = null; if(size == 0) return res; if(size == 1) tail = null; res = head.value; head = head.next; size--; return res; }

三、隊列有哪些常見的應用？

1.阻塞隊列

1）在隊列的基礎上增加阻塞操作，就成了阻塞隊列。
2）阻塞隊列就是在隊列為空的時候，從隊頭取數據會被阻塞，因為此時還沒有數據可取，直到隊列中有了數據才能返回；如果隊列已經滿了，那么插入數據的操作就會被阻塞，直到隊列中有空閑位置后再插入數據，然后在返回。
3）從上面的定義可以看出這就是一個“生產者-消費者模型”。這種基于阻塞隊列實現的“生產者-消費者模型”可以有效地協調生產和消費的速度。當“生產者”生產數據的速度過快，“消費者”來不及消費時，存儲數據的隊列很快就會滿了，這時生產者就阻塞等待，直到“消費者”消費了數據，“生產者”才會被喚醒繼續生產。不僅如此，基于阻塞隊列，我們還可以通過協調“生產者”和“消費者”的個數，來提高數據處理效率，比如配置幾個消費者，來應對一個生產者。

2.并發隊列

1）在多線程的情況下，會有多個線程同時操作隊列，這時就會存在線程安全問題。能夠有效解決線程安全問題的隊列就稱為并發隊列。
2）并發隊列簡單的實現就是在enqueue()、dequeue()方法上加鎖，但是鎖粒度大并發度會比較低，同一時刻僅允許一個存或取操作。
3）實際上，基于數組的循環隊列利用CAS原子操作，可以實現非常高效的并發隊列。這也是循環隊列比鏈式隊列應用更加廣泛的原因。
3.線程池資源枯竭是的處理
在資源有限的場景，當沒有空閑資源時，基本上都可以通過“隊列”這種數據結構來實現請求排隊。

[劍指offer][JAVA]面試題第[09]題[用兩個棧實現隊列][LinkedList]

主要整理參考作者：姜威
筆記整理來源： 王爭 數據結構與算法之美

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【数据结构与算法】栈与队列的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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