Java数据结构与算法 - 栈和队列

主要涉及三种数据存储类型：栈，队列，优先级队列。这些数据存储类型的生命周期比数组等数据结构要短得多，在程序执行期间才被创建。栈的主要机制可以用数组来实现；队列，优先级队列可以使用数组或者一种特别的树 - 堆来实现。通过对数组进行封装，使得他们面向的问题更加专业。

1）在这些数据结构中，只有一个数据项可以被访问。

2）栈的操作是在栈顶压入一个数据项，以及从栈顶移除一个数据项。

3）队列的操作是在队尾压入数据，在队头取出数据。

4）优先级队列的操作是有序的插入数据，从队头取出关键字最小、最大的数据。

1. 栈

1.1. 栈的实现

栈只允许访问一个数据项，即最后插入的数据项。移除这个数据项才能访问第二个数据项。一般来说将数组经过一定包装，使之满足压栈，弹栈的性质就能实现栈的基本能力。栈通常包含三个数据成员，两个基本方法：一个数组，一个最大栈空间，一个top指针；压栈，弹栈（读取栈顶元素）。

/**
* @file 简单地说, 栈就是将数组进行封装来更方便的实现一些功能
* @author zkj
* @date 2017-07-27
*/

class Stack {
// 数据成员
private int maxSize;
private int[] stackArray;
private int top;

// 构造函数
public Stack(int size) {
maxSize = size;
stackArray = new int[maxSize];
top = -1;
}

// 压栈
public void push(int element) {
if (!isFull())
stackArray[++top] = element;
}

// 弹栈
public int pop() {
return stackArray[top--];
}
}

1.2 栈的应用

栈的主要应用：文本匹配，比如检测源程序中括号匹配问题；算术表达式解析，比如3 * （4 + 5）；大部分微处理器基于栈的体系结构，在函数被调用时压栈，弹栈。

1.2.1 文本括号匹配

对于一串文本，检查括号是否匹配，比如abc{defg[hijklm(nopq)rstu]v}wxyz，检测括号是否配对。解决办法：遍历字符串，将{, [, ( 依次入栈（普通字符不入栈），当遍历到), ] }时，弹栈，进行比较，看两者是否匹配。

// 栈类：实现栈操作
class StackChar {
// 数据成员
private int maxSize;
private char[] stackArray;
private int top;

// 构造函数
public StackChar(int size) {
maxSize = size;
stackArray = new char[maxSize];
top = -1;
}

// 压栈
public void push(char element) {
if (!isFull())
stackArray[++top] = element;
}

// 弹栈
public char pop() {
return stackArray[top--];
}

// 栈满？
public boolean isFull() {
if (top == maxSize)
return true;
else
return false;
}

// 栈空？
public boolean isEmpty() {
if (top < 0)
return true;
else
return false;
}
}

// 检查是否匹配
class BracketChecker {
private String input;

public BracketChecker(String in) {
input = in;
}

public void check() {
int stackSzie = input.length();
StackChar theStack = new StackChar(stackSzie);

for (int i = 0; i < stackSzie; i++) {
char ch = input.charAt(i);
switch (ch) {
case '{':
case '[':
case '(':
theStack.push(ch);
break;
case '}':
case ']':
case ')':
if (!theStack.isEmpty()) {
char chx = theStack.pop();
if ((chx == '{' && ch != '}') || (chx == '[' && ch != ']') || (chx == '(' && ch != ')')) {
System.out.println("Error: " + ch + " at " + i);
}
}
else
System.out.println("Error: " + ch + " at " + i);
default:
break;
}
}

if (!theStack.isEmpty()) {
System.out.println("Error: missing right delimiter.");
}
}
}

2. 队列

栈的特性是：先进后出；队列则是：先进先出。比如打印机打印东西的顺序，银行叫号排队系统等等。队列六个基本元素：存储数据的数组，头指针，尾指针，队列最大尺寸，数据进队列，数据出队列。

2.1 队列的实现

// 队列类
class Queue {
// 数据成员
private int[] arr;
private int head;
private int tail;
private int maxSize;

// 构造函数
public Queue(int size) {
maxSize = size;
head = -1;
tail = -1;
}

// 压入队列
public void push(int element) {
if (tail <= maxSize){
arr[++tail] = element;
}
}

// 移除队列
public int pop() {
return arr[++head];
}
}

3. 优先级队列

优先级队列是指队列中的元素按照某种顺序进行排列，比如数值型数据的大小顺序，字符型数据字典序等等。有序插入，队头取出。