栈与队列详解及模拟实现

目录

 ​​一、栈（Stack）：后进先出​

​​1.1 什么是栈​

​​1.2 栈的使用​​

​​1.3 栈的模拟实现​

​​1.4 栈的经典应用​​

 ​​二、队列（Queue）：先进先出​

​​2.1 什么是队列

2.2 队列的使用​

​​2.3 队列的模拟实现​​

2.4 循环队列：空间利用

三、双端队列（Deque）：双向操作​

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 ​​一、栈（Stack）：后进先出​

​​1.1 什么是栈​

栈是一种​​只能在一端操作​​的线性表，遵循​​后进先出（LIFO）​​原则。想象一下叠盘子：你只能从最上面拿盘子，最后放上去的盘子会被最先取走。栈的两个核心操作是：

• ​​压栈（Push）​​：将数据放到栈顶。
• ​​出栈（Pop）​​：从栈顶移除数据。

​​现实中的例子​​：浏览器的“后退”按钮（最近访问的页面最先返回）、函数调用时的执行栈。

​​1.2 栈的使用​​

Java中的Stack类提供了简单易用的方法：

方法	功能
Stack()	创建一个空栈
push(E e)	压栈，返回元素
pop()	弹出栈顶元素
peek()	查看栈顶元素（不删除）
size()	返回栈中元素个数
empty()	判断栈是否为空

public static void main(String[] args) {Stack<Integer> s = new Stack<>();s.push(1);s.push(2);s.push(3);System.out.println(s.size());  // 输出3System.out.println(s.peek());  // 输出3（栈顶元素）s.pop();                       // 弹出3if (s.empty()) {System.out.println("栈空");} else {System.out.println(s.size());  // 输出2}
}

​​1.3 栈的模拟实现​

​

栈的底层可以用数组或链表实现。Java的Stack继承自Vector（线程安全的动态数组），但实际开发中更推荐用LinkedList或自己实现。

public class MyStack {private int[] data;private int top; // 栈顶指针public void push(int val) {if (top == data.length) throw new StackOverflowError();data[top++] = val;}public int pop() {if (top == 0) throw new EmptyStackException();return data[--top];}
}

​​1.4 栈的经典应用​​

括号匹配​​：检查表达式中的括号是否成对。

boolean isValid(String s) {Stack<Character> stack = new Stack<>();for (char c : s.toCharArray()) {if (c == '(') stack.push(')');else if (c == '[') stack.push(']');else if (c == '{') stack.push('}');else if (stack.isEmpty() || stack.pop() != c) return false;}return stack.isEmpty();
}

 ​​二、队列（Queue）：先进先出​

​​2.1 什么是队列

​

队列是一种​​只能在队尾插入、队头删除​​的线性表，遵循​​先进先出（FIFO）​​原则。就像排队买奶茶：先来的人先拿到奶茶，后来的人排在队尾。

2.2 队列的使用​

​

Java中队列通过Queue接口实现，常用LinkedList：

方法	功能
offer(E e)	入队，返回是否成功
poll()	出队（返回队头元素）
peek()	查看队头元素（不删除）
size()	返回队列元素个数
isEmpty()	判断队列是否为空

public static void main(String[] args) {Queue<Integer> q = new LinkedList<>();q.offer(1);q.offer(2);q.offer(3);System.out.println(q.peek());  // 输出1q.poll();                      // 移除1System.out.println(q.size());  // 输出2
}

​​2.3 队列的模拟实现​​

队列更适合用链表实现（因为插入和删除发生在两端）。

class Node {int val;Node next;
}public class MyQueue {private Node front; // 队头private Node rear;  // 队尾public void offer(int val) {Node newNode = new Node(val);if (rear == null) {front = rear = newNode;} else {rear.next = newNode;rear = newNode;}}public int poll() {if (front == null) throw new NoSuchElementException();int val = front.val;front = front.next;if (front == null) rear = null;return val;}
}

2.4 循环队列：空间利用

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当队列空间固定时，循环队列可以避免“假溢出”。核心技巧是通过取模运算实现下标循环：

• ​​入队​​：rear = (rear + 1) % array.length
• ​​出队​​：front = (front + 1) % array.length

​​如何区分队列空与满？​​

1. ​​记录元素个数​​：通过size变量判断。
2. ​​保留一个空位​​：当(rear + 1) % size == front时认为队列已满。

三、双端队列（Deque）：双向操作​

双端队列允许在两端插入和删除，既能当栈用，也能当队列用。

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();  // 当作栈
stack.push(1);
stack.pop();Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();  // 当作队列
queue.offer(1);
queue.poll();

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完 ~~