数据结构（二）队列和栈

Java提供了java.util.Stack类来表示栈数据结构。Stack类是Vector类的子类，它实现了一个标准的后进先出（LIFO）栈。同样也提供了Queue接口，表示一系列按照特定顺序排列的元素，其中最早添加的元素将最先被移除（先进先出，FIFO）。并且Deque（双端队列，Double Ended Queue）扩展了Queue接口，提供了在队列两端进行插入和删除操作的方法。Deque允许在队列的两端进行元素的添加、获取和移除操作，因此可以用来实现栈、队列等数据结构。

但是今天仅仅用最简单的数组完成队列和栈的实现

队列

队列（Queue）是一种常见的线性数据结构，它按照先进先出（First-In-First-Out，FIFO）的原则管理元素。换句话说，最先添加到队列中的元素将首先被移除。队列通常具有两个主要操作：入队（Enqueue）和出队（Dequeue）。入队操作将元素添加到队列的尾部，而出队操作则将队列的头部元素移除并返回。

需求分析

首先作为对数组的封装，容量 capacity 和T[] queue必不可少

其次，目前队列中的元素个数 size 也要记录下来、

最后就是两个指针，一个指向head，另一个指向tail

public class ArrayQueue {private int[] queue; // 用于存储元素的数组private int capacity; // 队列的容量private int size; // 队列中元素的个数private int head; // 队列头部指针private int tail; // 队列尾部指针// 构造函数，初始化队列public ArrayQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;queue = new int[capacity];size = 0;head = 0;tail = -1;}
}

作为队列，肯定需要放置元素，取出元素以及其他容器的基本操作。

判断元素个数，是否为空或满

    // 判断队列是否为空public boolean isEmpty() {return size == 0;}// 判断队列是否已满public boolean isFull() {return size == capacity;}// 获取队列中元素的个数public int size() {return size;}

放置元素

    // 向队列尾部添加元素public void enqueue(int element) {if (isFull()) {throw new IllegalStateException("Queue is full");}tail = (tail + 1) % capacity;queue[tail] = element;size++;}

获取元素

获取元素有两种选择，

一，获取并移除元素

    // 从队列头部移除元素并返回public int dequeue() {if (isEmpty()) {throw new IllegalStateException("Queue is empty");}int removed = queue[head];head = (head + 1) % capacity;size--;return removed;}

二，只获取不移除元素

    // 获取队列头部元素但不移除public int peek() {if (isEmpty()) {throw new IllegalStateException("Queue is empty");}return queue[head];}

完整代码

public class ArrayQueue {private int[] queue; // 用于存储元素的数组private int capacity; // 队列的容量private int size; // 队列中元素的个数private int head; // 队列头部指针private int tail; // 队列尾部指针// 构造函数，初始化队列public ArrayQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;queue = new int[capacity];size = 0;head = 0;tail = -1;}// 向队列尾部添加元素public void enqueue(int element) {if (isFull()) {throw new IllegalStateException("Queue is full");}tail = (tail + 1) % capacity;queue[tail] = element;size++;}// 从队列头部移除元素并返回public int dequeue() {if (isEmpty()) {throw new IllegalStateException("Queue is empty");}int removed = queue[head];head = (head + 1) % capacity;size--;return removed;}// 获取队列头部元素但不移除public int peek() {if (isEmpty()) {throw new IllegalStateException("Queue is empty");}return queue[head];}// 判断队列是否为空public boolean isEmpty() {return size == 0;}// 判断队列是否已满public boolean isFull() {return size == capacity;}// 获取队列中元素的个数public int size() {return size;}public static void main(String[] args) {ArrayQueue queue = new ArrayQueue(5);queue.enqueue(1);queue.enqueue(2);queue.enqueue(3);System.out.println("Dequeued: " + queue.dequeue()); // 输出：Dequeued: 1System.out.println("Peek: " + queue.peek()); // 输出：Peek: 2}
}

栈

栈（Stack）是一种常见的线性数据结构，它遵循后进先出（Last-In-First-Out，LIFO）的原则。换句话说，最后添加到栈中的元素将首先被移除。栈通常具有两个主要操作：压入（Push）和弹出（Pop）。压入操作将元素添加到栈顶，而弹出操作则将栈顶的元素移除并返回。

需求分析

其实基本同上，不过栈只需要一个size就够，无需head，tail索引。

public class ArrayStack {private int[] array; // 用于存储元素的数组private int size; // 栈中元素的个数// 构造函数，初始化指定容量的栈public ArrayStack(int capacity) {array = new int[capacity];size = 0;}
}

其余需求也就是这些，和队列基本一致。

压入（Push）：向栈顶添加一个元素。
弹出（Pop）：从栈顶移除一个元素，并返回移除的元素。
查看栈顶元素（Peek）：返回栈顶的元素但不移除。
判空（isEmpty）：检查栈是否为空。
获取栈的大小（Size）：返回栈中元素的个数。

考虑到一端进出，栈可以实现自动扩容。

元素个数，是否为空

    // 判断栈是否为空public boolean isEmpty() {return size == 0;}// 获取栈中元素的个数public int size() {return size;}

取元素

如上，有放回和无放回

    // 弹出栈顶元素并返回public int pop() {if (isEmpty()) {throw new IllegalStateException("Stack is empty");}int removed = array[--size];array[size] = 0; // 用于清除被移除元素的引用if (size > 0 && size == array.length / 4) {resize(array.length / 2); // 缩容}return removed;}// 获取栈顶元素但不移除public int peek() {if (isEmpty()) {throw new IllegalStateException("Stack is empty");}return array[size - 1];}

resize函数下面会讲。

放置元素

这里我们判断是否已满，满了就扩容

    // 压入元素到栈顶public void push(int element) {if (size == array.length) {resize(2 * array.length); // 扩容}array[size++] = element;}

动态扩缩容

resize就是扩（缩）容函，实现如下

    // 调整栈的容量private void resize(int newCapacity) {int[] newArray = new int[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) {newArray[i] = array[i];}array = newArray;}

全部代码

public class ArrayStack {private int[] array; // 用于存储元素的数组private int size; // 栈中元素的个数// 构造函数，初始化指定容量的栈public ArrayStack(int capacity) {array = new int[capacity];size = 0;}// 压入元素到栈顶public void push(int element) {if (size == array.length) {resize(2 * array.length); // 扩容}array[size++] = element;}// 弹出栈顶元素并返回public int pop() {if (isEmpty()) {throw new IllegalStateException("Stack is empty");}int removed = array[--size];array[size] = 0; // 用于清除被移除元素的引用if (size > 0 && size == array.length / 4) {resize(array.length / 2); // 缩容}return removed;}// 获取栈顶元素但不移除public int peek() {if (isEmpty()) {throw new IllegalStateException("Stack is empty");}return array[size - 1];}// 判断栈是否为空public boolean isEmpty() {return size == 0;}// 获取栈中元素的个数public int size() {return size;}// 调整栈的容量private void resize(int newCapacity) {int[] newArray = new int[newCapacity];for (int i = 0; i < size; i++) {newArray[i] = array[i];}array = newArray;}public static void main(String[] args) {ArrayStack stack = new ArrayStack(10);stack.push(1);stack.push(2);stack.push(3);System.out.println("Popped: " + stack.pop()); // 输出：Popped: 3System.out.println("Peek: " + stack.peek()); // 输出：Peek: 2}
}