用隊列實現棧,用棧實現隊列,聽起來有點繞,都搞懂了就掌握了精髓!

目錄

  • 一、背景
  • 二、概念
    • 2.1 棧
    • 2.2 隊列
  • 三、棧和隊列的相互實現
    • 3.1 用隊列實現棧
    • 3.2 用棧實現隊列
  • 四、總結

一、背景

棧和隊列是數據結構中最常用到的兩種結構,有非常廣泛的運用,該篇文章將通過動畫的手段,展示棧和隊列相互實現的底層原理,讓我們真正搞懂棧和隊列的特性。

二、概念

2.1 棧

棧[Stack]:是一種限定僅在表尾進行插入和刪除操作的線性表;即後進先出(LIFO-last in first out),最後插入的元素最先出來

  • 入棧(push)
  • 出棧 (pop)
2.2 隊列

 隊列[Queue]:是一種限定僅在表頭進行刪除操作,僅在表尾進行插入操作的線性表;即先進先出(FIFO-first in first out):最先插入的元素最先出來。

  • 入隊(enqueue)
  • 出隊(dequeue)

三、棧和隊列的相互實現

3.1 用隊列實現棧
  • 模擬入棧的實現原理
    — 棧的特性是新加入的元素出現在棧頂,保證後進先出。
    — 隊列的特性為新加入的元素出現在隊尾,隊列的隊尾元素最後出隊。
    按以上兩個前提,我們可以讓隊頭至隊尾前的其它所有元素依次出隊再入隊,直至在隊尾新加入的元素被移到隊頭,也即實現了讓新壓入的元素保留在棧頂

  • 模擬出棧的實現原理
    — 由於在入棧時保證隊列中新加入隊尾的元素被移到了隊頭,出棧只需彈出隊頭元素即可。

  • 完整代碼實現

/**
 * 用隊列模擬實現棧
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-09
 */
public class QueueImplStack {

    // 定義隊列
    private Queue<Integer> queue;

    public QueueImplStack() {
        queue = new LinkedList();
    }

    // 入棧--在隊尾加入元素后,讓其他元素按順序出隊再入隊,保持新加入的元素永遠在隊頭
    public void push(Integer e) {
        queue.offer(e);
        int size = queue.size();
        int i = 0;
        while (i < size - 1) {
            queue.offer(queue.poll());
            i++;
        }
    }

    // 出棧--將隊尾前的其它所有元素出隊再入隊,直至隊尾元素移到隊頭
    public Integer pop() {
        return queue.poll();
    }

    // 查看棧頂元素--即隊頭元素
    public Integer peek() {
        return queue.peek();
    }

    // 是否為空
    public boolean isEmpty() {
        return queue.isEmpty();
    }

    public static void main(String[] args) {
        QueueImplStack stack = new QueueImplStack();
        stack.push(1);
        System.out.println(stack.peek());
        stack.push(2);
        System.out.println(stack.peek());
        stack.push(3);
        System.out.println(stack.peek());
        System.out.println("=============");
        System.out.println(stack.pop());
        System.out.println(stack.pop());
        System.out.println(stack.pop());
        System.out.println(stack.isEmpty());

    }
}

3.2 用棧實現隊列
  • 模擬入隊的實現原理
    — 隊列的特性最新入隊的元素需排在隊尾,最先入隊的元素排在隊頭,按隊頭到隊尾的順序依次出隊。
    — 對應到棧的數據結構上,也即需將新加入的元素保留在棧頂,保證先進先出。
    按以上兩個前提,需在存放數據的棧的基礎上再增加一個輔助棧,在每次入隊時,先將存放數據的棧彈入輔助棧,再把需加入的新元素壓入數據棧底,最後把輔助棧中的元素彈出依次壓入數據棧,這樣保證了新加入的元素,沉在棧底。

    模擬出隊的實現原理
    — 由於在入隊時,通過數據棧與輔助棧的交換,實現了后加入的元素沉在棧底,先進入的元素保留在棧頂,直接通過出棧彈出即可。

    • 完整代碼實現
/**
 * 用棧模擬實現隊列
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-09
 */
public class StackImplQueue {
    // 數據棧
    private Stack<Integer> stack;
    // 輔助棧
    private Stack<Integer> aux;

    StackImplQueue() {
        stack = new Stack<>();
        aux = new Stack<>();
    }

    // 入隊--通過數據棧與輔助棧相互交換,保證新加入的元素沉在數據棧底
    public void enqueue(Integer e) {
        while (!stack.isEmpty()) {
            aux.push(stack.pop());
        }
        stack.push(e);
        while(!aux.isEmpty()){
            stack.push(aux.pop());
        }

    }

    // 出隊--彈出數據棧元素
    public Integer dequeue(){
        return stack.pop();
    }

    // 查看隊頭元素
    public Integer peek(){
        return stack.peek();
    }

    // 是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return stack.isEmpty();
    }

    public static void main(String[] args) {
        StackImplQueue queue = new StackImplQueue();
        queue.enqueue(1);
        System.out.println(queue.peek());
        queue.enqueue(2);
        System.out.println(queue.peek());
        queue.enqueue(3);
        System.out.println(queue.peek());
        System.out.println("=============");
        System.out.println(queue.dequeue());
        System.out.println(queue.dequeue());
        System.out.println(queue.dequeue());

    }
}

四、總結

通過以上棧和隊列相互交叉的實踐,我們對棧和隊列的重大特性有了深入了解:

  • 棧和隊列都是線性連續結構,增加和刪除元素不會影響破此連續性
  • 棧通過棧頂的操作實現元素的增加與刪除,也即只能在一端進行操作
  • 隊列通過隊尾增加元素,隊頭刪除元素,也即可以在兩端操作

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