Java 数据结构：栈和队列

在软件开发中，数据结构是组织和管理数据的基础。掌握常见的数据结构如栈（Stack）和队列（Queue），能够帮助我们编写出更高效且结构清晰的代码。本文将深入探讨这两种数据结构，并展示如何在Java中实现和使用它们。

栈（Stack）

什么是栈？

栈是一种遵循后进先出（LIFO, Last In First Out）原则的数据结构。想象一个叠放的盘子堆，你只能从顶部添加或移除盘子。栈的操作也类似，元素从栈顶添加（压栈）和移除（弹栈）。

栈的基本操作

push: 将元素压入栈顶。
pop: 移除并返回栈顶元素。
peek: 返回栈顶元素但不移除它。
isEmpty: 检查栈是否为空。
size: 返回栈中的元素个数。

Java 中的栈实现

在Java中，java.util.Stack类提供了栈的数据结构。下面是一个简单的例子：

import java.util.Stack;public class StackExample {public static void main(String[] args) {Stack<Integer> stack = new Stack<>();// push 操作stack.push(1);stack.push(2);stack.push(3);// peek 操作System.out.println("栈顶元素: " + stack.peek()); // 输出 3// pop 操作System.out.println("弹出元素: " + stack.pop()); // 输出 3// 当前栈顶元素System.out.println("新的栈顶元素: " + stack.peek()); // 输出 2// 栈是否为空System.out.println("栈是否为空: " + stack.isEmpty()); // 输出 false// 栈的大小System.out.println("栈的大小: " + stack.size()); // 输出 2}
}

队列（Queue）

什么是队列？

队列是一种遵循先进先出（FIFO, First In First Out）原则的数据结构。队列就像排队买票，先到的人先买票。队列的操作分别在两端进行：一端用于添加元素（入队），另一端用于移除元素（出队）。

队列的基本操作

offer: 将元素添加到队列尾部。
poll: 移除并返回队列头部的元素。
peek: 返回队列头部的元素但不移除它。
isEmpty: 检查队列是否为空。
size: 返回队列中的元素个数。

Java 中的队列实现

在Java中，我们通常通过java.util.Queue接口及其实现类（如LinkedList）来实现队列。以下是一个示例：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;public class QueueExample {public static void main(String[] args) {Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();// offer 操作queue.offer(1);queue.offer(2);queue.offer(3);// peek 操作System.out.println("队列头部元素: " + queue.peek()); // 输出 1// poll 操作System.out.println("移除的元素: " + queue.poll()); // 输出 1// 当前队列头部元素System.out.println("新的队列头部元素: " + queue.peek()); // 输出 2// 队列是否为空System.out.println("队列是否为空: " + queue.isEmpty()); // 输出 false// 队列的大小System.out.println("队列的大小: " + queue.size()); // 输出 2}
}

栈与队列的应用场景

栈的应用

函数调用栈: 在程序执行期间，用于保存函数调用信息。
表达式求值: 用于解析和计算中缀表达式、后缀表达式。
括号匹配: 用于检查括号是否匹配。

队列的应用

任务调度: 用于管理任务执行顺序。
广度优先搜索（BFS）: 在图算法中用于按层次遍历节点。
消息队列: 用于异步消息

栈的应用

浏览器历史记录: 用栈来存储用户访问的页面，用户点击“后退”按钮时，弹出栈顶页面并显示。
撤销操作（Undo）: 在文本编辑器中，用栈来记录用户的操作，用户点击“撤销”按钮时，弹出上一个操作并恢复。

队列的应用

打印队列: 打印任务按顺序加入队列，按顺序执行。
网络流量管理: 数据包按顺序进入队列，按顺序处理以确保流量控制。
生产者-消费者问题: 用队列在生产者和消费者之间传递数据。

栈与队列的选择

在实际开发中，选择栈还是队列取决于具体的应用需求：

如果需要后进先出的处理机制，应选择栈。
如果需要先进先出的处理机制，应选择队列。

Java 中栈和队列的高级实现

除了基本的Stack和LinkedList，Java还提供了一些高级的数据结构来实现栈和队列，以满足更复杂的需求。

双端队列（Deque）

双端队列（Deque, Double Ended Queue）是允许在两端进行插入和删除操作的队列。Java中的ArrayDeque类是Deque接口的一个实现。

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Deque;public class DequeExample {public static void main(String[] args) {Deque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();// 在队列头部和尾部添加元素deque.addFirst(1);deque.addLast(2);// 在队列头部和尾部移除元素System.out.println("移除头部元素: " + deque.removeFirst()); // 输出 1System.out.println("移除尾部元素: " + deque.removeLast()); // 输出 2}
}

并发队列（Concurrent Queue）

在多线程环境中，使用普通的队列实现可能会导致数据不一致或竞争问题。Java 提供了线程安全的并发队列，如ConcurrentLinkedQueue和BlockingQueue。

import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;public class ConcurrentQueueExample {public static void main(String[] args) {ConcurrentLinkedQueue<Integer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();// 添加元素queue.offer(1);queue.offer(2);// 移除并返回队列头部的元素System.out.println("移除的元素: " + queue.poll()); // 输出 1}
}