【数据结构与算法】之栈 vs 队列

栈和队列是计算机科学中最基础也是最常用的两种线性数据结构，它们提供了一种组织和管理数据的方式。它们的主要区别在于元素的添加和删除顺序。理解它们的特点、差异以及底层实现对于选择合适的结构解决特定问题至关重要。本文将更详细地比较栈和队列，并提供Java示例代码进行演示。

1. 栈 (Stack)

栈遵循后进先出 (LIFO - Last-In, First-Out) 的原则。想象一下一堆盘子，你总是从顶部添加或拿走盘子，最后放上去的盘子最先被拿走。

1.1 特点

LIFO: 这是栈的核心特性，也是其应用场景的决定性因素。
单端操作: 所有的操作（添加、删除、查看）都只在栈顶进行，这使得栈的操作非常简单高效。
主要操作:
- push(element): 将元素添加到栈顶。如果栈已满，则抛出异常（对于固定大小的栈）或动态扩展栈的大小（对于动态大小的栈）。
- pop(): 移除并返回栈顶元素。如果栈为空，则抛出异常。
- peek(): 返回栈顶元素但不移除。如果栈为空，则抛出异常。
- isEmpty(): 检查栈是否为空。
实现方式:
- 数组: 可以使用数组实现栈，使用一个变量top来指向栈顶元素的索引。push操作将元素添加到top位置，然后top加1；pop操作返回top位置的元素，然后top减1。
- 链表: 可以使用链表实现栈，将栈顶元素作为链表的头节点。push操作将新元素插入到链表头部；pop操作删除链表头部节点。链表实现的栈可以动态调整大小，避免了数组实现的栈可能出现的溢出问题。
应用场景:
- 函数调用栈: 存储函数调用信息，包括局部变量、参数、返回地址等。这使得函数的嵌套和递归调用成为可能。
- 表达式求值: 例如，使用栈将中缀表达式转换为后缀表达式，然后进行求值。
- 撤销操作 (Undo/Redo): 在文本编辑器、绘图软件等应用中，使用栈存储用户的操作历史，实现撤销和重做功能。
- 浏览器历史记录: 后退按钮模拟了栈的操作，每次点击后退按钮就返回上一个访问的页面。
- 深度优先搜索 (DFS): 图算法中使用栈来实现深度优先搜索。

1.2 Java示例 (数组实现)

import java.util.Stack;public class StackExample {public static void main(String[] args) {Stack<Integer> stack = new Stack<>();stack.push(1);stack.push(2);stack.push(3);System.out.println("栈顶元素: " + stack.peek()); // 输出 3System.out.println("弹出栈顶元素: " + stack.pop()); // 输出 3System.out.println("栈是否为空: " + stack.isEmpty()); // 输出 falsewhile (!stack.isEmpty()) {System.out.println(stack.pop()); // 输出 2, 1}}
}

2. 队列 (Queue)

队列遵循先进先出 (FIFO - First-In, First-Out) 的原则。就像排队一样，先来的人先得到服务。

2.1 特点

FIFO: 队列的核心特性，决定了它的应用场景。
双端操作: 元素从队尾（rear）添加，从队首（front）删除。
主要操作:
- enqueue(element) 或 offer(element): 将元素添加到队尾。offer() 在队列满时不会抛出异常，而是返回false。
- dequeue() 或 poll(): 移除并返回队首元素。poll() 在队列为空时不会抛出异常，而是返回null。
- peek() 或 element(): 返回队首元素但不移除。peek() 在队列为空时返回null，element() 抛出异常。
- isEmpty(): 检查队列是否为空。
实现方式:
- 数组: 使用循环数组实现队列，需要维护队首front和队尾rear两个指针。enqueue操作将元素添加到rear位置，dequeue操作返回front位置的元素。
- 链表: 使用链表实现队列，队首作为链表的头节点，队尾作为链表的尾节点。enqueue操作将新元素添加到链表尾部，dequeue操作删除链表头部节点。
应用场景:
- 进程调度: 操作系统使用队列管理等待执行的进程，确保先到达的进程先被执行。
- 打印队列: 管理待打印文档的顺序，确保先提交的文档先被打印。
- 缓冲区: 例如，网络缓冲区用于临时存储数据包，确保数据包按照到达的顺序被处理。
- 广度优先搜索 (BFS): 图算法中使用队列实现广度优先搜索。
- 生产者-消费者模型: 队列可以作为生产者和消费者之间传递数据的缓冲区.

2.2 Java示例 (链表实现)

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;public class QueueExample {public static void main(String[] args) {Queue<String> queue = new LinkedList<>();queue.offer("A");queue.offer("B");queue.offer("C");System.out.println("队首元素: " + queue.peek()); // 输出 ASystem.out.println("移除队首元素: " + queue.poll()); // 输出 ASystem.out.println("队列是否为空: " + queue.isEmpty()); // 输出 falsewhile (!queue.isEmpty()) {System.out.println(queue.poll()); // 输出 B, C}}
}

3. 栈与队列的比较

特性	栈	队列
原理	LIFO (后进先出)	FIFO (先进先出)
数据访问	只允许访问栈顶元素	只允许访问队首和队尾元素
添加元素	push()	enqueue() / offer()
删除元素	pop()	dequeue() / poll()
查看元素	peek()	peek() / element()
主要应用	函数调用、表达式求值、撤销操作、DFS	进程调度、打印队列、缓冲区、BFS、生产者-消费者模型
空间复杂度	O(n)	O(n)
时间复杂度 (push/pop/enqueue/dequeue/peek)	O(1)	O(1) (使用链表实现) / O(n) (在数组实现中，某些情况下需要移动元素)