結構與演算法(02)：佇列和棧結構

知了一笑發表於2020-09-09
演算法佇列

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一、佇列結構

1、基礎概念

佇列是一種特殊的線性表，特殊之處在於它只允許在表的前端（front）進行刪除操作，而在表的後端（rear）進行插入操作，和棧一樣，佇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，進行刪除操作的端稱為隊頭。

2、特點描述

佇列是一個有序列表，可以用陣列或是連結串列來實現，遵循先進先出的原則。即:先進入佇列的資料，會先取出；後進入佇列的資料，要後取出；即FIFO原則。

入佇列示意圖：

出佇列示意圖：

通過上述兩張圖解，不難發現佇列結構的一些特點：

  • 先進入的資料先出去；
  • 資料從隊尾進入，從隊首出去；
  • 基於陣列描述佇列下標變更頻繁；
  • 出佇列演算法可以基於容器大小取模；

佇列結構的核心是對容器內是否空、是否滿標誌的判斷演算法，即容器為空不可再取，容器已滿無法再存；該演算法結構在倉儲領域的適應非常廣泛。

3、訊息佇列

訊息佇列就是基於資料結構中的“先進先出”策略實現的，將訊息以排隊的方式放入佇列中，然後出佇列被消費：

有時候某類訊息消費需要有順序控制，即可以對訊息中的公共ID做取模處理，即把某類訊息都置於一個佇列中即可。

4、API使用案例

LinkedList類實現Queue佇列介面，因此可以基於LinkedList模擬佇列效果。

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

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

二、棧結構

1、基礎概念

棧（stack）又名堆疊，它是一種運算受限的線性表。限定僅在表尾進行插入和刪除操作的線性表。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；從一個棧刪除元素又稱作出棧或退棧(pop)，它是把棧頂元素刪除掉，使其相鄰的元素成為新的棧頂元素。

2、特點描述

棧是一個先入後出的有序列表，新增和刪除只能在棧頂端(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標；
  • 進出棧都要移動棧頂指標；

基於棧的定義可知，最先放入棧中元素在棧底，最後放入的元素在棧頂，從棧容器中而刪除元素剛好相反，最後放入的元素最先刪除，最先放入的元素最後刪除。

3、遞回應用

棧在Java程式設計中的常見應用，(1)子程式的呼叫：在跳往子程式前，會將下個指令的地址存到堆疊中，直到子程式執行完後再將地址取出，退回到原來的程式中;(2)處理遞迴呼叫：和子程式的呼叫類似，除了儲存下一個指令的地址外，也要將引數、區域變數等資料存入堆疊中。

4、API使用案例

Stack棧API是Vector的一個子類，它實現了一個標準的後進先出的棧，堆疊只定義了預設建構函式，用來建立一個空棧，堆疊除了包括由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) {
        // 入堆疊
        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、原始碼地址

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

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序號 文章標題
01 演算法和結構(01)：稀疏陣列和二維陣列轉換
02 演算法應用：RSA演算法，加密解密，簽名驗籤流程詳解
03 演算法應用：遞迴演算法，處理樹形結構下的業務資料

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