數據結構學習之棧和隊列篇(Java)

棧（Stack)

• 棧也是一種線性結構
• 相比數組，棧對應的操作是數組的子集
• 只能從一端添加元素，也只能從一端取出元素，這一端稱爲棧頂
• 棧是一種後進先出的數據結構–Last in First out(LIFO)

結合數組篇的實現來完成棧的基本實現(ArrayStack):
Stack接口類：

/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\8 0008 13:54
 */
public interface Stack<T> {
    //獲取棧中元素的個數
    int getSize();
    //判斷棧是否爲空
    boolean isEmpty();
    //向棧中添加元素
    void push(T e);
    //刪除棧頂的元素
    T pop();
    //返回棧頂的元素
    T peek();
}

ArrayStack實現類：

/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\8 0008 14:02
 */
public class ArrayStack<T> implements Stack<T> {
    private Array<T> array;
    //有參構造函數
    public ArrayStack(int capacity) {
        array = new Array<>(capacity);
    }

    public ArrayStack() {
        array = new Array<>();
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return array.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return array.isEmpty();
    }
    //查看當前靜態數組的容積,ArrayStack特有的方法
    public int getCapacity(){
        return array.getCapacity();
    }
    @Override
    public void push(T e) {
       array.addLast(e);
    }

    @Override
    public T pop() {
        return array.removeLast();
    }

    @Override
    public T peek() {
        return array.getLast();
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("Stack:");
        res.append("[");
        for (int i = 0; i < array.getSize(); i ++){
            res.append(array.get(i));
            if (i != array.getSize() - 1){
                res.append(",");
            }
        }
        res.append("] top");
        return res.toString();
    }
}

棧的應用：編輯器的撤銷(undo)操作，操作系統中程序調用的系統棧等。
例：leetCode第二十題：

import java.util.Stack;
/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\8 0008 15:48
 */
class Solution {
    //解決括號匹配的算法
    public boolean isValid(String s){
        if (s.isEmpty()){
            return true;
        }
        Stack<Character> stack = new Stack<>();
        for (int i = 0; i < s.length(); i ++){
            char c = s.charAt(i);
            if (c == '(' || c == '[' || c == '{'){
                stack.push(c);
            }
            else {
                //如果還爲空就說明是以右括號開始的
                if (stack.isEmpty())
                    return false;
                char topChar = stack.pop();
                if (c == ')' && topChar != '(')
                    return false;
                if (c == ']' && topChar != '[')
                    return false;
                if (c == '}' && topChar != '{')
                    return false;
            }
        }
        //遍歷完如果棧中還有元素返回false，如還有單個左括號未匹配的情況
        return stack.isEmpty();
    }
}

隊列 Queue

• 隊列也是一種線性結構
• 相比數組，隊列對應的操作是數組的子集
• 只能從一端（隊尾）添加元素，只能從另一端（隊首）取出元素
• 隊列是一種先進先出的數據結構–First In First Out(FIFO)

結合數組篇的實現來完成隊列的基本實現：
Queue接口類：

/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\9 0009 9:57
 */
public interface Queue<T> {
    //獲取隊列中元素的個數
    int getSize();
    //隊列是否爲空
    boolean isEmpty();
    //進隊
    void enqueue(T e);
    //出隊
    T dequeue();
    //獲取隊首元素
    T getFront();
}

ArrayQueue實現類：

/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\9 0009 10:26
 */
public class ArrayQueue<T> implements Queue<T> {
    private Array<T> array;

    public ArrayQueue(int capacity){
        array = new Array<>(capacity);
    }
    public ArrayQueue() {
        array = new Array<>();
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return array.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return array.isEmpty();
    }

    public int getCapacity(){
        return array.getCapacity();
    }

    @Override
    public void enqueue(T e) {
        array.addLast(e);
    }

    @Override
    public T dequeue() {
        return array.removeLast();
    }

    @Override
    public T getFront() {
        return array.getFirst();
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("Queue:");
        res.append("front [");
        for (int i = 0; i < array.getSize(); i ++){
            res.append(array.get(i));
            if (i != array.getSize() - 1){
                res.append(",");
            }
        }
        res.append("] tail");
        return res.toString();
    }
}

數組隊列的複雜度分析：
int getSize() : O(1)
boolean isEmpty() : O(1)
T getFront() : O(1)
T dequeue () : O(n)
void enqueue(T e) : O(1)
因爲數組隊列的出隊操作的時間複雜度是O(n)級別的，所以當數據量變大且需要進行頻繁的出隊操作時，使用數組隊列是非常消耗性能的，所以當這種情況我們可以使用出隊操作時間複雜度爲O(1)的循環隊列：
LoopQueue實現類：

import java.util.NoSuchElementException;

/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\9 0009 14:54
 */
public class LoopQueue<T> implements Queue<T> {

    private T[] data;
    //front表示隊首元素，tail表示元素即將進入的位置，也就是隊尾後的第一個位置
    private int front,tail;
    //size表示隊列中的元素個數
    private int size;
    //有參構造方法
    public LoopQueue(int capacity) {
        data = (T[])new Object[capacity + 1];
        front = 0;
        tail = 0;
        size = 0;
    }

    public LoopQueue() {
        this(10);
    }

    public int getCapacity(){
        return data.length - 1;
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return size;
    }

    /**
     * front等於tail時隊列爲空  (tail + 1) % 隊列總長度 = front 隊列爲滿
     * @return
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == tail;
    }

    @Override
    public void enqueue(T e) {
        //(tail + 1) % 隊列總長度 = front 隊列爲滿,調用resize方法進行擴容
        if((tail + 1) % data.length == front){
           resize(getCapacity() * 2);
        }
        data[tail] = e;
        tail = (tail + 1) % data.length;
        size ++;
    }

    @Override
    public T dequeue() {
        //當隊列爲空時，拋出異常
        if (isEmpty()){
          throw new NoSuchElementException("Cannot dequeue from an empty queue");
        }
        T ret = data[front];
        data[front] = null;
        //維護front
        front = (front + 1) % data.length;
        size --;
        //懶釋放和不能讓縮容的大小爲0
        if (size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0){
            resize(getCapacity() / 2);
        }
        return ret;
    }

    @Override
    public T getFront() {
        //當隊列爲空時，拋出異常
        if (isEmpty()){
            throw new NoSuchElementException("Cannot dequeue from an empty queue");
        }
        return data[front];
    }

    private void resize(int newCapacity){
        //先聲明一個新的泛型數組
        T[] newData = (T[])new Object[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i ++){
            //把元素放在擴容後的數組中
            newData[i] = data[(i + front) % data.length];
        }
        data  = newData;
        //維護front 與 tail
        front = 0;
        tail = size;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        //%d: 佔位符; \n: 換行符
        res.append(String.format("Queue: size = %d, capacity = %d\n",size,getCapacity()));
        res.append("front [");
        for (int i = front;i != tail;i = (i + 1) % data.length){
            res.append(data[i]);
            if ((i + 1) % data.length != tail)
                res.append(",");
        }
        res.append("] tail");
        return res.toString();
    }
}