数据结构学习之栈和队列篇(Java)

栈（Stack)

• 栈也是一种线性结构
• 相比数组，栈对应的操作是数组的子集
• 只能从一端添加元素，也只能从一端取出元素，这一端称为栈顶
• 栈是一种后进先出的数据结构–Last in First out(LIFO)

结合数组篇的实现来完成栈的基本实现(ArrayStack):
Stack接口类：

/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\8 0008 13:54
 */
public interface Stack<T> {
    //获取栈中元素的个数
    int getSize();
    //判断栈是否为空
    boolean isEmpty();
    //向栈中添加元素
    void push(T e);
    //删除栈顶的元素
    T pop();
    //返回栈顶的元素
    T peek();
}

ArrayStack实现类：

/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\8 0008 14:02
 */
public class ArrayStack<T> implements Stack<T> {
    private Array<T> array;
    //有参构造函数
    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();
    }
    //查看当前静态数组的容积,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();
    }
}

栈的应用：编辑器的撤销(undo)操作，操作系统中程序调用的系统栈等。
例：leetCode第二十题：

import java.util.Stack;
/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\8 0008 15:48
 */
class Solution {
    //解决括号匹配的算法
    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 {
                //如果还为空就说明是以右括号开始的
                if (stack.isEmpty())
                    return false;
                char topChar = stack.pop();
                if (c == ')' && topChar != '(')
                    return false;
                if (c == ']' && topChar != '[')
                    return false;
                if (c == '}' && topChar != '{')
                    return false;
            }
        }
        //遍历完如果栈中还有元素返回false，如还有单个左括号未匹配的情况
        return stack.isEmpty();
    }
}

队列 Queue

• 队列也是一种线性结构
• 相比数组，队列对应的操作是数组的子集
• 只能从一端（队尾）添加元素，只能从另一端（队首）取出元素
• 队列是一种先进先出的数据结构–First In First Out(FIFO)

结合数组篇的实现来完成队列的基本实现：
Queue接口类：

/**
 * @author ymn
 * @version 1.0
 * @date 2020\4\9 0009 9:57
 */
public interface Queue<T> {
    //获取队列中元素的个数
    int getSize();
    //队列是否为空
    boolean isEmpty();
    //进队
    void enqueue(T e);
    //出队
    T dequeue();
    //获取队首元素
    T getFront();
}

ArrayQueue实现类：

/**
 * @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();
    }
}

数组队列的复杂度分析：
int getSize() : O(1)
boolean isEmpty() : O(1)
T getFront() : O(1)
T dequeue () : O(n)
void enqueue(T e) : O(1)
因为数组队列的出队操作的时间复杂度是O(n)级别的，所以当数据量变大且需要进行频繁的出队操作时，使用数组队列是非常消耗性能的，所以当这种情况我们可以使用出队操作时间复杂度为O(1)的循环队列：
LoopQueue实现类：

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表示队首元素，tail表示元素即将进入的位置，也就是队尾后的第一个位置
    private int front,tail;
    //size表示队列中的元素个数
    private int size;
    //有参构造方法
    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等于tail时队列为空  (tail + 1) % 队列总长度 = front 队列为满
     * @return
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == tail;
    }

    @Override
    public void enqueue(T e) {
        //(tail + 1) % 队列总长度 = front 队列为满,调用resize方法进行扩容
        if((tail + 1) % data.length == front){
           resize(getCapacity() * 2);
        }
        data[tail] = e;
        tail = (tail + 1) % data.length;
        size ++;
    }

    @Override
    public T dequeue() {
        //当队列为空时，抛出异常
        if (isEmpty()){
          throw new NoSuchElementException("Cannot dequeue from an empty queue");
        }
        T ret = data[front];
        data[front] = null;
        //维护front
        front = (front + 1) % data.length;
        size --;
        //懒释放和不能让缩容的大小为0
        if (size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0){
            resize(getCapacity() / 2);
        }
        return ret;
    }

    @Override
    public T getFront() {
        //当队列为空时，抛出异常
        if (isEmpty()){
            throw new NoSuchElementException("Cannot dequeue from an empty queue");
        }
        return data[front];
    }

    private void resize(int newCapacity){
        //先声明一个新的泛型数组
        T[] newData = (T[])new Object[newCapacity];
        for (int i = 0; i < size; i ++){
            //把元素放在扩容后的数组中
            newData[i] = data[(i + front) % data.length];
        }
        data  = newData;
        //维护front 与 tail
        front = 0;
        tail = size;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        //%d: 占位符; \n: 换行符
        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();
    }
}