阅读 732

数据结构-栈&队列&Deque实现比较

栈: 限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表;

  • 后进先出(LIFO)。
  • 在表尾进行操作,表尾是栈顶;最新进栈的元素在栈底。
栈的ADT

Stack_ADT
Stack_ADT

进栈&出栈

栈

栈的存储结构实现
  • 顺序栈

栈也是线性表,只是对表中元素的插入和删除位置做了限定,因此我们很容易想到利用一维数组实现栈的存储结构。Java中的Stack类继承自Vector,就是用数组实现。

Stack.java

public class Stack<E> extends Vector<E> {

    public Stack() {
    }

    public E push(E item) {
        addElement(item);

        return item;
    }

    public synchronized E pop() {
        E       obj;
        int     len = size();

        obj = peek();
        removeElementAt(len - 1);

        return obj;
    }

    public synchronized E peek() {
        int     len = size();

        if (len == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elementAt(len - 1);
    }

    public boolean empty() {
        return size() == 0;
    }

    public synchronized int search(Object o) {
        int i = lastIndexOf(o);

        if (i >= 0) {
            return size() - i;
        }
        return -1;
    }

    private static final long serialVersionUID = 1224463164541339165L;
}复制代码
  • 两栈共享存储空间

    如果我们有两个相同类型的栈,我们为他们各自开辟了数组空间,极有可能第一个栈已经满了,再进栈就溢出了,而另一个栈还有很多存储空间空闲。这时,我们可以充分利用顺序栈的单向延伸的特性,使用一个数组来存储两个栈,让一个栈的栈底为数组的始端,另一个栈的栈底为数组的末端,每个栈从各自的端点向中间延伸。

share_stack
share_stack

ShareStack.java


/**
 * Created by engineer on 2017/10/22.
 */

public class ShareStack<T> {
    private Object[] element; //存放元素的数组

    private int stackSize;  // 栈大小

    private int top1; //栈1的栈顶指针

    private int top2; //栈2的栈顶指针


    /**
     * 初始化栈
     * @param size
     */
    public ShareStack(int size){
        element = new Object[size];
        stackSize = size;
        top1 = -1;
        top2 = stackSize;
    }


    /**
     * 压栈
     * @param i 第几个栈
     * @param o 入栈元素
     * @return
     */
    public boolean push(int i , Object o){

        if(top1 == top2 - 1)
            throw new RuntimeException("栈满!");
        else if(i == 1){
            top1++;
            element[top1] = o;
        }else if(i == 2){
            top2--;
            element[top2] = o;
        }else
            throw new RuntimeException("输入错误!");

        return true;
    }

    /**
     * 出栈
     * @param i
     * @return
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T pop(int i){

        if(i == 1){
            if(top1 == -1)
                throw new RuntimeException("栈1为空");
            return (T)element[top1--];
        } else if(i == 2){
            if(top2 == stackSize)
                throw new RuntimeException("栈2为空");
            return (T)element[top2++];
        } else
            throw new RuntimeException("输入错误!");

    }


    /**
     * 获取栈顶元素
     * @param i
     * @return
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public T get(int i){

        if(i == 1){
            if(top1 == -1)
                throw new RuntimeException("栈1为空");
            return (T)element[top1];
        } else if(i == 2){
            if(top2 == stackSize)
                throw new RuntimeException("栈2为空");
            return (T)element[top2];
        } else
            throw new RuntimeException("输入错误!");
    }


    /**
     * 判断栈是否为空
     * @param i
     * @return
     */
    public boolean isEmpty(int i){

        if(i == 1){
            if(top1 == -1)
                return true;
            else
                return false;
        } else if(i == 2){
            if(top2 == stackSize)
                return true;
            else
                return false;
        } else
            throw new RuntimeException("输入错误!");
    }

}复制代码

当然,考虑到数组需要在初始化的时候限定大小,同时也要考虑扩容的问题。因此栈也可以使用链表来实现;这个后面一起讨论,这里就不展开来说了。

栈这种数据结构,非常实用;Android中Activity的回退栈就是最好的例子,正常模式下,我们通过startActivity就是将一个Activity压入了回退栈,finish()方法就是从回退栈里弹出最顶部的Activity;当然,实际流程有很多别的操作,这里也只是大体流程;递归思想也是利用了栈这种结构。

队列

队列: 只允许在一端进行插入操作、而在另一端进行删除操作的线性表。

  • 先进先出(FIFO)
  • 在队尾进行插入,从队头进行删除
队列的ADT

Queue_ADT
Queue_ADT

入队列&出队列

Deque
Deque

栈的存储结构实现
  • 顺序存储结构

使用数组实现队列的存储结构时,为了避免每次从队头删除元素时,移动后面的每个元素,加入了front和rear两个指针,分别指向队头和队尾;这样每次从队头删除元素时,移动front指针即可,而不必移动大量的元素,但是这样势必会造成假溢出的问题,存储空间得不到充分的利用,因此需要采用循环队列的方式实现了队列的顺序存储结构。

  • 循环队列

假定在循环队列中,QueueSize为循环队列大小,即数组长度,则有以下结论:

  1. 循环队列空的条件:front==rear;
  2. 循环队列满的条件:(rear+1)%QueueSize=front;
  3. 循环队列长度:(rear-front*QueueSize)%QueueSize;

总的来说,采用顺序存储结构,还是需要考虑容量的问题。因此,在我们无法预估队列长度的情况下,需要关注链式存储结构。

  • 链式存储结构

上文中我们已经说过,LinkList实现了Deque接口,因此它就是用链表实现的队列。这里简单分析一下入队push和出队pop操作的实现。

LinkedList-add 队列入队

    public boolean add(E e) {
        linkLast(e);
        return true;
    }
    /**
     * Links e as last element.
     */
    void linkLast(E e) {
        final Node<E> l = last;
        //创建新的结点,其前驱指向last,后继为null
        final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
        //last 指针指向新的结点
        last = newNode;
        if (l == null)
            first = newNode;  //如果链表为空,frist指针指向新的结点
        else
            l.next = newNode; //链表不为空,新的结点连接到原来最后一个结点之后
        size++; //链表长度+1
        modCount++;
    }复制代码

LinkList是一个双向链表,这里first是执行第一个结点的指针,last是指向最后一个结点指针。

LinkList-pop 队列出队

    public E pop() {
        return removeFirst();
    }
    public E removeFirst() {
        final Node<E> f = first;
        if (f == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkFirst(f);
    }
    private E unlinkFirst(Node<E> f) {
        // assert f == first && f != null;
        //获取要删除结点的值
        final E element = f.item;
        //得到f的下一个结点,也就是第二个结点
        final Node<E> next = f.next;
        // f 释放
        f.item = null;
        f.next = null; // help GC
        // first 指针指向f的下个结点,
        first = next;
        // f 后面已经没有结点了
        if (next == null)
            last = null; 
        else
            next.prev = null; // 第二个结点(也就是现在的第一个结点)前驱为null,因为LinkList 是双端链表,非循环。
        size--;
        modCount++;
        return element;
    }复制代码

这里就是一个典型的单链表删除头结点的实现。至此,我们已经掌握了栈和队列这两种数据结构各自的特点;下面再来看看Java官方提供的关于栈和队列的实现。

Deque

这里主要说一下Deque这个类。

/**
 * A linear collection that supports element insertion and removal at
 * both ends.  The name <i>deque</i> is short for "double ended queue"
 * and is usually pronounced "deck".  Most {@code Deque}
 * implementations place no fixed limits on the number of elements
 * they may contain, but this interface supports capacity-restricted
 * deques as well as those with no fixed size limit.
 * /
public interface Deque<E> extends Queue<E> {
    void addFirst(E var1);

    void addLast(E var1);

    boolean offerFirst(E var1);

    boolean offerLast(E var1);

    E removeFirst();

    E removeLast();

    E pollFirst();

    E pollLast();

    E getFirst();

    E getLast();

    E peekFirst();

    E peekLast();

    boolean add(E var1);

    boolean offer(E var1);

    E remove();

    E poll();

    E element();

    E peek();

    void push(E var1);

    E pop();

    ........
}复制代码

Deque接口是“double ended queue”的缩写(通常读作“deck”),即双端队列,支持在线性表的两端插入和删除元素,继承Queue接口。大多数的实现对元素的数量没有限制,但这个接口既支持有容量限制的deque,也支持没有固定大小限制的。

我们知道Queue接口定义了队列的操作集合,而Deque接口又在其基础上扩展,定义了在双端进行插入删除的操作。因此,我们很可以认为,Deque接口既可以当做队列,也可以当做栈。

因此,回过头来,我们可以发现LinkList以链表结构,同时实现了队列和栈。前面已经分析了LinkList作为一个队列的操作。下面我们可以看看,他又是如何实现链式结构实现队列的。

入栈

    public void addLast(E e) {
        linkLast(e);
    }复制代码

可以看到,对于入栈操作和队列样,都是在链表最后插入元素,和队列一样使用了linkLast()方法。

出栈

    public E removeLast() {
        final Node<E> l = last;
        if (l == null)
            throw new NoSuchElementException();
        return unlinkLast(l);
    }复制代码

出栈同样是用了unlinkLast 方法,只不过出栈的元素是last。而不是队列中的first。

Deque的顺序存储实现 ArrayDeque

ArrayDeque 用一个动态数组实现了栈和队列所需的所有操作。

添加元素

    public void addFirst(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[head = (head - 1) & (elements.length - 1)] = e;
        if (head == tail)
            doubleCapacity();
    }

    public void addLast(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        elements[tail] = e;
        if ( (tail = (tail + 1) & (elements.length - 1)) == head)
            doubleCapacity();
    }

    private void doubleCapacity() {
        assert head == tail;
        int p = head;
        int n = elements.length;
        int r = n - p; // number of elements to the right of p
        int newCapacity = n << 1;
        if (newCapacity < 0)
            throw new IllegalStateException("Sorry, deque too big");
        Object[] a = new Object[newCapacity];
        System.arraycopy(elements, p, a, 0, r);
        System.arraycopy(elements, 0, a, r, p);
        elements = a;
        head = 0;
        tail = n;
    }复制代码

这里可以看到,无论是头部还是尾部添加新元素,当需要扩容时,会直接变化为原来的2倍。同时需要复制并移动大量的元素。

删除元素

public E pollFirst() {
        final Object[] elements = this.elements;
        final int h = head;
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[h];
        // Element is null if deque empty
        if (result != null) {
            elements[h] = null; // Must null out slot
            head = (h + 1) & (elements.length - 1);
        }
        return result;
    }

    public E pollLast() {
        final Object[] elements = this.elements;
        final int t = (tail - 1) & (elements.length - 1);
        @SuppressWarnings("unchecked")
        E result = (E) elements[t];
        if (result != null) {
            elements[t] = null;
            tail = t;
        }
        return result;
    }复制代码

从头部和尾部删除(获取)元素,就比较方便了,修改head和tail位置即可。head是当前数组中第一个元素的位置,tail是数组中第一个空的位置。

BlockingDeque

/**
 * A {@link Deque} that additionally supports blocking operations that wait
 * for the deque to become non-empty when retrieving an element, and wait for
 * space to become available in the deque when storing an element.
 * /

public interface BlockingDeque<E> extends BlockingQueue<E>, Deque<E> {
}复制代码

关于Deque最后一点,BlockingDeque 在Deque 基础上又实现了阻塞的功能,当栈或队列为空时,不允许出栈或出队列,会保持阻塞,直到有可出栈元素出现;同理,队列满时,不允许入队,除非有元素出栈腾出了空间。常用的具体实现类是LinkedBlockingDeque,使用链式结构实现了他的阻塞功能。Android中大家非常熟悉的AsyncTask 内部的线程池队列,就是使用LinkedBlockingDeque实现,长度为128,保证了AsyncTask的串行执行。

这里比较一下可以发现,对于栈和队列这两种特殊的数据结构,由于获取(查找)元素的位置已经被限定,因此采用顺序存储结构并没有非常大的优势,反而是在添加元素由于数组容量的问题还会带来额外的消耗;因此,在无法预先知道数据容量的情况下,使用链式结构实现栈和队列应该是更好的选择。


好了,栈和队列就先到这里了。

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