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1. 栈(Stack)
1.1 概念
栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈 顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。
压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶。
出栈：栈的删除操作叫做出栈。出数据在栈顶
1.2 栈的使用
public static void main(String[] args) {
Stack<Integer> s = new Stack();
s.push(1);
s.push(2);
s.push(3);
s.push(4);
System.out.println(s.size()); // 获取栈中有效元素个数---> 4
System.out.println(s.peek()); // 获取栈顶元素---> 4
s.pop(); // 4出栈，栈中剩余1 2 3，栈顶元素为3
System.out.println(s.pop()); // 3出栈，栈中剩余1 2 栈顶元素为3
if(s.empty()){
System.out.println("栈空");
}else{
System.out.println(s.size());
}
}1.3 栈的模拟实现
从上图中可以看到，Stack继承了Vector，Vector和ArrayList类似，都是动态的顺序表，不同的是Vector是线程安全的。
// 用单链表实现的栈
public class MyStack {
private int[] elem;
private int usedSize;
public MyStack() {
this.elem = new int[5];
}
// 压栈
public void push(int val) {
if (isFull()) {
// 扩容
this.elem = Arrays.copyOf(this.elem, this.elem.length*2);
}
this.elem[usedSize] = val;
this.usedSize++;
}
// 判断栈是否满了
public boolean isFull() {
return usedSize == elem.length;
}
// 出栈
public int pop() {
if(isEmpty()) {
throw new StackEmptyException("栈为空!");
}
return this.elem[--usedSize];
}
// 判断栈是不是为空
public boolean isEmpty() {
return usedSize == 0;
}
// 获取栈顶元素
public int peek() {
if (isEmpty()) {
throw new StackEmptyException("栈为空!");
}
// 开始删除
return this.elem[usedSize--];
}
}1.4 栈的应用场景
1. 改变元素的序列
1. 若进栈序列为 1,2,3,4 ，进栈过程中可以出栈，则下列不可能的一个出栈序列是（）
A: 1,4,3,2 B: 2,3,4,1 C: 3,1,4,2 D: 3,4,2,1
2.一个栈的初始状态为空。现将元素1、2、3、4、5、A、B、C、D、E依次入栈，然后再依次出栈，则元素出栈的顺 序是（ ）。
A: 12345ABCDE B: EDCBA54321 C: ABCDE12345 D: 54321EDCBA
2. 将递归转化为循环
比如：逆序打印链表
// 递归方式
void printList(Node head){
if(null != head){
printList(head.next);
System.out.print(head.val + " ");
}
}
// 循环方式
void printList(Node head){
if(null == head){
return;
}
}
Stack<Node> s = new Stack<>();
// 将链表中的结点保存在栈中
Node cur = head;
while(null != cur){
s.push(cur);
cur = cur.next;
}
// 将栈中的元素出栈
while(!s.empty()){
System.out.print(s.pop().val + " ");
}
1.5 概念区分
-
概念
- 栈：栈是一种先进后出(FILO)的数据结构，在Java中可以通过
java.util.Stack类来使用，它继承自Vector类。 - 虚拟机栈：每个线程在创建时都会分配一块私有的内存空间，即虚拟机栈，用于存放栈帧，即方法调用相关的信息。
- 栈帧：当一个方法被调用时，会在虚拟机栈中创建一个栈帧，用来保存该方法的局部变量表、操作数栈等信息。方法执行结束后，相应的栈帧也会从栈中移除。
- 栈：栈是一种先进后出(FILO)的数据结构，在Java中可以通过
-
存储内容
- 栈：存储的是一系列对象，这些对象的进栈和出栈顺序遵循后进先出的原则。
- 虚拟机栈：主要存储栈帧，每个线程独立拥有一个虚拟机栈，存储该线程执行过程中所需的数据。
- 栈帧：存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。
-
生命周期
- 栈：通常指的是逻辑上的生命周期，与具体的实现相关。
- 虚拟机栈：它的生命周期与线程相同，线程结束时，对应的虚拟机栈也会销毁。
- 栈帧：伴随方法调用生成，并随着方法执行完毕而销毁。
-
异常情况
- 栈：如果尝试访问空栈中的元素，会抛出异常。
- 虚拟机栈：如果栈内空间不足，无法为新的方法调用分配栈帧，则会抛出
StackOverflowError。 - 栈帧：不直接关联到特定的错误或异常，但方法的异常退出会导致栈帧的出栈。
-
垃圾回收
- 栈：作为逻辑结构，其元素由程序员控制，不涉及自动垃圾回收。
- 虚拟机栈：不受垃圾回收器的管理，因为其生命周期与线程同步。
- 栈帧：局部变量表中可能包含对堆上对象的引用，这些对象是可以被垃圾回收的。
-
性能优化关系
- 栈：通常不需要特殊优化，因为它是由JVM管理的。
- 虚拟机栈：大小可以调整，过大可能导致
StackOverflowError，过小可能影响程序性能。 - 栈帧：局部变量表的大小会影响栈帧的大小，进而影响方法调用的深度和性能。
2. 队列(Queue)
2.1 概念
队列：只允许在一端进行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作的特殊线性表，队列具有先进先出FIFO(First In First Out) 入队列：进行插入操作的一端称为队尾（Tail/Rear）
出队列：进行删除操作的一端称为队头（Head/Front）
2.2 队列的使用
在Java中，Queue是个接口，底层是通过链表实现的。
注意：Queue是个接口，在实例化时必须实例化LinkedList的对象，因为LinkedList实现了Queue接口。
public static void main(String[] args) {
Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
q.offer(1);
q.offer(2);
q.offer(3);
q.offer(4);
q.offer(5); // 从队尾入队列
System.out.println(q.size());
System.out.println(q.peek()); // 获取队头元素
q.poll();
System.out.println(q.poll()); // 从队头出队列，并将删除的元素返回
if(q.isEmpty()){
System.out.println("队列空");
}else{
System.out.println(q.size());
}
}2.3 队列模拟实现
队列中既然可以存储元素，那底层肯定要有能够保存元素的空间，通过前面线性表的学习了解到常见的空间类型有 两种：顺序结构 和 链式结构。下面是用单链表实现的队列.
// 采用带尾指针的单链表实现的队列
public class MyQueue {
static class ListNode {
public int val;
public ListNode next;
public ListNode(int val) {
this.val = val;
}
}
public ListNode head;
public ListNode last;
private int usedSize;
public int getUsedSize() {
return usedSize;
}
//入队
public void offer(int val) {
ListNode node = new ListNode(val);
if(head == null) {
head = node;
last = node;
}else {
last.next = node;
last = last.next;
}
usedSize++;
}
//出队
public int poll() {
if(head == null) {
return -1;
}
int val = -1;
if(head.next == null) {
val = head.val;
head = null;
last = null;
usedSize--;
return val;
}
val = head.val;
head = head.next;
usedSize--;
return val;
}
//获得队头元素
public int peek() {
if(head == null) {
return -1;
}
return head.val;
}
}2.4 循环队列
实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型时可以就会使用循环队列。 环形队列通常使用数组实现。
我们可以思考几个问题
1. 什么时候循环队列是空的?
答: front == rear的时候
2. 什么时候循环队列是满的?
答: 1) 定义一个usedSize, 当usedSize == length的时候, 循环队列是满的
2) 浪费一个空间来表示满 (接下来实现的代码采用的是这种方式)
3. rear是怎么从7下标走到0下标的? front是怎么从7下标走到0下标的?
答: (rear + 1) % length
class MyCircularQueue {
private int[] elem;
private int front; //队头下标
private int rear; //队尾下标
public MyCircularQueue(int k) {
elem = new int[k];
}
//入队
public boolean enQueue(int value) {
if(isFull()) {
return false;
}
elem[rear] = value;
rear = (rear + 1) % elem.length;
return true;
}
// 出队
public boolean deQueue() {
if(isEmpty()) {
return false;
}
front = (front + 1) % elem.length;
return true;
}
//获取队头元素
public int Front() {
if(isEmpty()) {
return -1;
}
return elem[front];
}
//获取队尾元素
public int Rear() {
if(isEmpty()) {
return -1;
}
int index = (rear == 0)? elem.length - 1 : rear - 1;
return elem[index];
}
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % elem.length == front;
}
}3. 双端队列 (Deque)
双端队列（deque）是指允许两端都可以进行入队和出队操作的队列，deque 是 “double ended queue” 的简称。 那就说明元素可以从队头出队和入队，也可以从队尾出队和入队
Deque是一个接口，使用时必须创建LinkedList的对象。
在实际工程中，使用Deque接口是比较多的，栈和队列均可以使用该接口.
Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现
Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现
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