数据结构之栈与队列

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java 集合

栈和队列是两种重要的数据结构。从栈与队列的逻辑结构上来说，它们也是线性结构，
与线性表不同的是它们所支持的基本操作是受到限制的，它们是操作受限的线性表，是一种
限定性的数据结构。

栈（stack）又称堆栈，它是运算受限的线性表，其限制是仅允许在表的一端进行插入和删除操作，不允许在其他任何位置进行插入、查找、删除等操作。表中进行插入、删除操作的一端称为栈顶（top），栈顶保存的元素称为栈顶元素。相对的，表的另一端称为栈底（bottom）。
当栈中没有数据元素时称为空栈；向一个栈插入元素又称为进栈或入栈；从一个栈中删除元素又称为出栈或退栈。由于栈的插入和删除操作仅在栈顶进行，后进栈的元素必定先出栈，所以又把堆栈称为后进先出表（Last In First Out，简称LIFO）。

public interface Stack {
	//返回堆栈的大小
	public int getSize();
	//判断堆栈是否为空
	public boolean isEmpty();
	//数据元素e 入栈
	public void push(Object e);
	//栈顶元素出栈
	public Object pop() throws StackEmptyException;
	//取栈顶元素
	public Object peek() throws StackEmptyException;
}
public class StackEmptyException extends RuntimeException{
	public StackEmptyException(String err) {
		super(err);
	}
}

Stack 的顺序存储实现：

public class StackArray implements Stack {
	private final int LEN = 8; //数组的默认大小
	private Object[] elements; //数据元素数组
	private int top; //栈顶指针
	public StackArray() {
		top = -1;
		elements = new Object[LEN];
	}
	//返回堆栈的大小
	public int getSize() {
		return top + 1;
	}
	//判断堆栈是否为空
	public boolean isEmpty() {
		return top < 0;
	}
	//数据元素e 入栈
	public void push(Object e) {
		if (getSize() >= elements.length) 
			expandSpace();
		elements[++top] = e;
	}
	private void expandSpace(){
		Object[] a = new Object[elements.length * 2];
		for (int i = 0; i < elements.length; i++)
			a[i] = elements[i];
		elements = a;
	}
	//栈顶元素出栈
	public Object pop() throws StackEmptyException {
		if (getSize() < 1)
			throw new StackEmptyException("错误，堆栈为空。");
		Object obj = elements[top];
		elements[top--] = null;
		return obj;
	}
	//取栈顶元素
	public Object peek() throws StackEmptyException {
		if (getSize() < 1)
			throw new StackEmptyException("错误，堆栈为空。");
		return elements[top];
	}
}

Stack 的链式存储实现：

public class StackSLinked implements Stack {
	private SLNode top; //链表首结点引用
	private int size; //栈的大小
	public StackSLinked() {
		top = null;
		size = 0;
	}
	//返回堆栈的大小
	public int getSize() {
		return size;
	}
	//判断堆栈是否为空
	public boolean isEmpty() {
		return size == 0;
	}
	//数据元素e 入栈
	public void push(Object e) {
		SLNode q = new SLNode(e, top);
		top = q;
		size++;
	}
	//栈顶元素出栈
	public Object pop() throws StackEmptyException {
		if (size < 1)
			throw new StackEmptyException("错误，堆栈为空。");
		Object obj = top.getData();
		top = top.getNext();
		size--;
		return obj;
	}
	//取栈顶元素
	public Object peek() throws StackEmptyException {
		if (size < 1)
			throw new StackEmptyException("错误，堆栈为空。");
		return top.getData();
	}
}

队列：它同堆栈一样，也是一种运算受限的线性表，其限制是仅允许在表的一端进行插入，而在表的另一端进行删除。在队列中把插入数据元素的一端称为队尾（rear），删除数据元素的一端称为队首（front）。向队尾插入元素称为进队或入队，新元素入队后成为新的队尾元素；从队列中删除元素称为离队或出队，元素出队后，其后续元素成为新的队首元素。
由于队列的插入和删除操作分别在队尾和队首进行，每个元素必然按照进入的次序离队，也就是说先进队的元素必然先离队，所以称队列为先进先出表（First In First Out,简称FIFO）。

public interface Queue {
	//返回队列的大小
	public int getSize();
	//判断队列是否为空
	public boolean isEmpty();
	//数据元素e 入队
	public void enqueue(Object e);
	//队首元素出队
	public Object dequeue() throws QueueEmptyException;
	//取队首元素
	public Object peek() throws QueueEmptyException;
}
public class QueueEmptyException extends RuntimeException {
	public QueueEmptyException(String err) {
		super(err);
	}
}

Queue 的顺序存储实现：

public class QueueArray implements Queue {
	private static final int CAP = 7;//队列默认大小
	private Object[] elements; //数据元素数组
	private int capacity; //数组的大小elements.length
	private int front; //队首指针,指向队首
	private int rear; //队尾指针,指向队尾后一个位置
	public QueueArray() {
		this(CAP);
	}
	public QueueArray(int cap){
		capacity = cap + 1;
		elements = new Object[capacity];
		front = rear = 0;
	}
	//返回队列的大小
	public int getSize() {
		return (rear - front + capacity) % capacity;
	}
	//判断队列是否为空
	public boolean isEmpty() {
		return front == rear;
	}
	//数据元素e 入队
	public void enqueue(Object e) {
		if (getSize() == capacity - 1)
			expandSpace();
		elements[rear] = e;
		rear = (rear + 1) % capacity;
	}
	private void expandSpace(){
		Object[] a = new Object[elements.length * 2];
		int i = front;
		int j = 0;
		//将从front 开始到rear 前一个存储单元的元素复制到新数组
		while (i != rear){ 
			a[j++] = elements[i];
			i = (i + 1) % capacity;
		}
		elements = a;
		capacity = elements.length;
		front = 0;
		rear = j; //设置新的队首、队尾指针
	}
	//队首元素出队
	public Object dequeue() throws QueueEmptyException {
		if (isEmpty())
			throw new QueueEmptyException("错误：队列为空");
		Object obj = elements[front];
		elements[front] = null;
		front = (front + 1) % capacity;
		return obj;
	}
	//取队首元素
	public Object peek() throws QueueEmptyException {
		if (isEmpty())
			throw new QueueEmptyException("错误：队列为空");
		return elements[front];
	}
}

Queue 的链式存储实现：

public class QueueSLinked implements Queue {
	private SLNode front;
	private SLNode rear;
	private int size;
	public QueueSLinked() {
		front = new SLNode();
		rear = front;
		size = 0;
	}
	//返回队列的大小
	public int getSize() {
		return size;
	}
	//判断队列是否为空
	public boolean isEmpty() {
		return size == 0;
	}
	//数据元素e 入队
	public void enqueue(Object e) {
		SLNode p = new SLNode(e, null);
		rear.setNext(p);
		rear = p;
		size++;
	}
	//队首元素出队
	public Object dequeue() throws QueueEmptyException {
		if (size < 1)
			throw new QueueEmptyException("错误：队列为空");
		SLNode p = front.getNext();
		front.setNext(p.getNext());
		size--;
		if (size < 1) 
			rear = front; //如果队列为空,rear 指向头结点
		return p.getData();
	}
	//取队首元素
	public Object peek() throws QueueEmptyException {
		if (size < 1)
			throw new QueueEmptyException("错误：队列为空");
		return front.getNext().getData();
	}
}