Java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)之棧和隊(duì)列
一、棧
1.1 概述
Java為什么要有集合類: 臨時存儲數(shù)據(jù)。
鏈表的本質(zhì): 對象間通過持有和引用關(guān)系互相關(guān)聯(lián)起來。
線性表: 普通線性表, 操作受限線性表(某些操作受到限制 --> 某一個線性表它的增刪改操作受到限制) --> 棧 & 隊(duì)列
1.1.1 線性表的概念
(1)線性表:n個數(shù)據(jù)元素的有序序列。
①首先,線性表中元素的個數(shù)是有限的。
②其次,線性表中元素是有序的。
(2)那這個”序”指的是什么呢?
①除表頭和表尾元素外,其它元素都有唯一前驅(qū)和唯一后繼,其唯一前驅(qū)或唯一后繼確定了該元素在線性表中的位置。
②因此,線性表中,每個數(shù)據(jù)元素都有一個確定的位序,這個確定的位序我們稱之為索引。 表頭元素有唯一后繼,無前驅(qū),表尾元素有唯一前驅(qū),無后繼。
1.1.2 棧的概念
棧是一種”操作受限”的線性表,體現(xiàn)在只能在一端插入和刪除數(shù)據(jù),符合FILO的特性。
FILO: 先進(jìn)后出,
LIFO: 后進(jìn)先出
1.1.3 棧的應(yīng)用

線性表和哈希表在以后工作中會最常用。
棧在實(shí)際工作中不常用
應(yīng)用場景:
1.函數(shù)調(diào)用棧
2.反序字符串: 實(shí)現(xiàn)reNumber(str)方法,反轉(zhuǎn)字符串(附代碼) 。
public class DemoStack1 {
public static void main(String[] args) {
String str = "123456789";
String reStr = reStr(str);
System.out.println(reStr);
}
// 棧先進(jìn)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.括號匹配問題: 實(shí)現(xiàn)judgeBracket(str)方法來判斷括號匹配 (附代碼)。
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);
// 判斷c 是left括號, 然后入棧
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.編譯器利用棧實(shí)現(xiàn)表達(dá)式求值
5.瀏覽器的前進(jìn)后退功能
6. 利用棧實(shí)現(xiàn) DFS: depth-first-search 深度優(yōu)先遍歷(樹 圖)
編譯器利用棧實(shí)現(xiàn)表達(dá)式求值
中綴表達(dá)式: 2 + 3 * 2 給人看的 , 運(yùn)算符放到中間
前綴表達(dá)式: + 2 * 3 2 運(yùn)算符放到之前
后綴表達(dá)式: 2 3 2 * + 運(yùn)算符放到后面
// 中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)化為后綴:
// 遍歷中綴表達(dá)式
// 遇到操作數(shù)輸出
// 遇到操作符, 出棧, 直到遇到更低優(yōu)先級的操作符, 操作符入棧
// 遍歷完成, 全部彈棧
// 中綴表達(dá)式轉(zhuǎn)化為前綴:
// 遍歷中綴表達(dá)式: 逆序遍歷
// 遇到操作數(shù)輸出: 頭插法
// 遇到操作符, 出棧, 只彈出更高優(yōu)先級的操作符, 操作符入棧
// 遍歷完成, 全部彈棧
二、隊(duì)列
2.1 隊(duì)列的概念
隊(duì)列也是一種”操作受限”的線性表,體現(xiàn)在一端插入數(shù)據(jù)在另一端刪除數(shù)據(jù),特性是FIFO。

2.2 隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)一個集合類
集合類: 數(shù)據(jù)容器
底層: 數(shù)組 or 鏈表
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn): 隊(duì)列
(1)用數(shù)組實(shí)現(xiàn)一個隊(duì)列。
/**
* 用數(shù)組實(shí)現(xiàn)一個隊(duì)列
* 集合類角度: 數(shù)據(jù)容器
* 底層: 數(shù)組
* 表示: 隊(duì)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;// 頭的下標(biāo)
private int end;// 尾的下標(biāo)
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){
// 如果數(shù)組滿了
if (size == objs.length){
int newLen = getLen();
grow(newLen);
}
// 可以添加
if (isEmpty()){
// 沒有任何元素存儲: 新添加的元素就是唯一的元素
objs[head] = t;
end = head;
size++;
return true;
} else {
// 原本存儲就有內(nèi)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;
// 判斷新長度是否溢出
if (newLen <= 0 || newLen > MAX_CAPACITY){
newLen = MAX_CAPACITY;
}
// 如果新長度和舊長度一樣
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){
// 原隊(duì)列中只剩一個元素
T oldValue = (T)objs[head];
head = 0;
end = 0;
size--;
return oldValue;
} else {
// 隊(duì)列中超過一個元素
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)用鏈表實(shí)現(xiàn)一個鏈表。
public class MyLinkedQueue <T> {
private Node head;// 隊(duì)頭
private Node end; // 隊(duì)尾
private int size;
// 添加 offer
// 刪除 poll
// 查看隊(duì)頭元素 peek
public boolean offer(T t){
// 如果原隊(duì)列為空
if (isEmpty()){// 原隊(duì)列空
// 讓頭尾都指向這個新加的結(jié)點(diǎn)
head = new Node(t, null);
end = head;
size++;
return true;
}
// 原隊(duì)列不空
// 把這個元素添加到隊(duì)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){
// 代表著, 鏈表中只有一個元素
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 隊(duì)列的應(yīng)用
(1)隊(duì)列更不常用(自己寫代碼使用不常用):
(2)常見, 很多jdk源碼, 中間件的源碼上 很多地方使用了隊(duì)列
Eg:
①生產(chǎn)者消費(fèi)者問題
生產(chǎn)者 – 消費(fèi)者
生產(chǎn)者: 廚師
消費(fèi)者: 吃面包的人
桌子: 放面包的地方
②線程池
線程池: 任務(wù)
生產(chǎn)者: 產(chǎn)生任務(wù)
消費(fèi)者: 線程
桌子: 隊(duì)列
③生態(tài)環(huán)境:
第三方輪子: 要看懂
Maven
④消息隊(duì)列和緩存。
(3)普通隊(duì)列的應(yīng)用場景是很有限的,一般在工程中用到的是阻塞隊(duì)列。
①阻塞隊(duì)列(有一個隊(duì)列, 大小一定):常用于生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型中。
當(dāng)隊(duì)列滿的時候,入隊(duì)列就阻塞。
當(dāng)隊(duì)列空的時候,出隊(duì)列就阻塞。
②利用隊(duì)列實(shí)現(xiàn) BFS:breadth first search 廣度優(yōu)先搜索/ 遍歷 ()
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