数据结构实战：Swift实现栈与队列及其应用场景解析

最新推荐文章于 2025-06-24 23:45:00 发布

经梦鸽

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数据结构实战：Swift实现栈与队列及其应用场景解析

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栈与队列的基本概念

在计算机科学中，栈(Stack)和队列(Queue)是两种最基本且重要的线性数据结构。它们的主要区别在于数据元素的添加和移除顺序：

栈(Stack)：遵循**后进先出(LIFO, Last In First Out)**原则，就像一叠盘子，最后放上去的盘子会被最先取走
队列(Queue)：遵循**先进先出(FIFO, First In First Out)**原则，就像排队买票，先来的人先得到服务

Swift实现栈结构

在Swift中，我们可以使用数组(Array)来高效地实现栈结构。以下是核心实现要点：

struct Stack<T> {
    private var elements = [T]()
    
    // 入栈操作
    mutating func push(_ element: T) {
        elements.append(element)
    }
    
    // 出栈操作
    mutating func pop() -> T? {
        return elements.popLast()
    }
    
    // 查看栈顶元素
    func peek() -> T? {
        return elements.last
    }
    
    // 检查栈是否为空
    func isEmptyElement() -> Bool {
        return elements.isEmpty
    }
}

这个泛型实现可以存储任何类型的元素，提供了基本的栈操作：push(入栈)、pop(出栈)、peek(查看栈顶)和isEmpty(检查空栈)。

Swift实现队列结构

同样使用数组，我们可以实现队列的基本功能：

struct Queue<T> {
    private var elements = [T]()
    
    // 入队操作
    mutating func enqueue(_ element: T) {
        elements.append(element)
    }
    
    // 出队操作
    mutating func dequeue() -> T? {
        return elements.isEmpty ? nil : elements.removeFirst()
    }
    
    // 检查队列是否为空
    func isEmptyQueue() -> Bool {
        return elements.isEmpty
    }
}

注意：这种简单实现中，dequeue操作的时间复杂度是O(n)，因为需要移动数组中的其他元素。在实际生产环境中，可以考虑使用双向链表或环形缓冲区来优化性能。

实际应用场景：浏览器历史记录

栈结构非常适合模拟浏览器的前进后退功能：

func simulateWebBrowser() {
    var backHistory = Stack<String>()  // 后退栈
    var forwardHistory = Stack<String>() // 前进栈
    var currentPage = "Homepage"
    
    while true {
        print("当前页面: \(currentPage)")
        print("请输入操作(前进/后退/网址):")
        let input = readLine() ?? ""
        
        switch input.lowercased() {
        case "前进":
            if let page = forwardHistory.pop() {
                backHistory.push(currentPage)
                currentPage = page
            } else {
                print("无法前进: 没有更多历史记录")
            }
        case "后退":
            if let page = backHistory.pop() {
                forwardHistory.push(currentPage)
                currentPage = page
            } else {
                print("无法后退: 没有更多历史记录")
            }
        default:
            backHistory.push(currentPage)
            currentPage = input
            forwardHistory = Stack<String>() // 清空前进历史
        }
    }
}

这个模拟器使用两个栈来分别管理后退和前进的历史记录：

访问新页面时，当前页面压入后退栈，清空前进栈
后退时，当前页面压入前进栈，从后退栈弹出上一页面
前进时，当前页面压入后退栈，从前进栈弹出下一页面

实际应用场景：打印机任务队列

队列结构非常适合模拟打印机的任务处理：

func simulatePrinter() {
    var printQueue = Queue<String>()
    
    while true {
        print("当前打印队列: \(printQueue.isEmptyQueue() ? "空" : "有\(printQueue.count)个任务")")
        print("输入文档名或'打印':")
        let input = readLine() ?? ""
        
        if input.lowercased() == "打印" {
            if let doc = printQueue.dequeue() {
                print("正在打印: \(doc)")
            } else {
                print("警告: 没有待打印的文档")
            }
        } else {
            printQueue.enqueue(input)
            print("已添加文档: \(input)")
        }
    }
}

这个模拟器展示了队列的典型应用场景：