結構與算法(02)：隊列和棧結構

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一、隊列結構

1、基礎概念

隊列是一種特殊的線性表，特殊之處在于它隻允許在表的前端（front）進行删除操作，而在表的後端（rear）進行插入操作，和棧一樣，隊列是一種操作受限制的線性表。進行插入操作的端稱為隊尾，進行删除操作的端稱為隊頭。

2、特點描述

隊列是一個有序清單，可以用數組或是連結清單來實作，遵循先進先出的原則。即:先進入隊列的資料，會先取出；後進入隊列的資料，要後取出；即FIFO原則。

入隊列示意圖：

出隊列示意圖：

通過上述兩張圖解，不難發現隊列結構的一些特點：

• 先進入的資料先出去；
• 資料從隊尾進入，從隊首出去；
• 基于數組描述隊列下标變更頻繁；
• 出隊列算法可以基于容器大小取模；

隊列結構的核心是對容器内是否空、是否滿标志的判斷算法，即容器為空不可再取，容器已滿無法再存；該算法結構在倉儲領域的适應非常廣泛。

3、消息隊列

消息隊列就是基于資料結構中的“先進先出”政策實作的，将消息以排隊的方式放入隊列中，然後出隊列被消費：

有時候某類消息消費需要有順序控制，即可以對消息中的公共ID做取模處理，即把某類消息都置于一個隊列中即可。

4、API使用案例

LinkedList類實作Queue隊列接口，是以可以基于LinkedList模拟隊列效果。

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class M01_Queue {
    public static void main(String[] args) {
        // 入隊列
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();
        queue.add("head") ;
        queue.add("middle") ;
        queue.add("tail") ;
        // 當隊列出資料之後，size是不斷變化的
        int queueSize = queue.size() ;
        int loop = 0 ;
        // 根據隊列大小，不斷出隊列
        while (loop < queueSize) {
            System.out.println(queue.poll());
            System.out.println(queue);
            loop ++ ;
        }
    }
}           

二、棧結構

棧（stack）又名堆棧，它是一種運算受限的線性表。限定僅在表尾進行插入和删除操作的線性表。這一端被稱為棧頂，相對地，把另一端稱為棧底。向一個棧插入新元素又稱作進棧、入棧或壓棧(push)，它是把新元素放到棧頂元素的上面，使之成為新的棧頂元素；從一個棧删除元素又稱作出棧或退棧(pop)，它是把棧頂元素删除掉，使其相鄰的元素成為新的棧頂元素。

棧是一個先入後出的有序清單，添加和删除隻能在棧頂端(Top)操作，另一端為固定的一端，稱為棧底(Bottom)。

入棧示意圖：

出棧示意圖：

通過上述兩張圖解，棧結構的一些特點如下：

• 進棧出棧都要通過棧頂端操作；
• 進出棧都不移動棧底指針；
• 進出棧都要移動棧頂指針；

基于棧的定義可知，最先放入棧中元素在棧底，最後放入的元素在棧頂，從棧容器中而删除元素剛好相反，最後放入的元素最先删除，最先放入的元素最後删除。

3、遞歸應用

棧在Java程式設計中的常見應用，(1)子程式的調用：在跳往子程式前，會将下個指令的位址存到堆棧中，直到子程式執行完後再将位址取出，退回到原來的程式中;(2)處理遞歸調用：和子程式的調用類似，除了存儲下一個指令的位址外，也要将參數、區域變量等資料存入堆棧中。

Stack棧API是Vector的一個子類，它實作了一個标準的後進先出的棧，堆棧隻定義了預設構造函數，用來建立一個空棧，堆棧除了包括由Vector定義的所有方法，也定義了自己的一些方法。

import java.util.Stack;

public class M02_Stack {
    public static void main(String[] args) {
        // 入堆棧
        Stack<String> stack = new Stack<>() ;
        stack.push("First") ;
        stack.push("Second") ;
        stack.push("Third") ;
        int stackSize = stack.size() ;
        int loop = 0 ;
        // 根據棧大小，不斷出棧
        while (loop < stackSize) {
            System.out.println(stack.pop());
            System.out.println(stack);
            loop ++ ;
        }
    }
}           

三、源代碼位址

GitHub·位址
https://github.com/cicadasmile/model-arithmetic-parent
GitEE·位址
https://gitee.com/cicadasmile/model-arithmetic-parent