结构与算法(02)：队列和栈结构

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一、队列结构

1、基础概念

队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

2、特点描述

队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现，遵循先进先出的原则。即:先进入队列的数据，会先取出；后进入队列的数据，要后取出；即FIFO原则。

入队列示意图：

出队列示意图：

通过上述两张图解，不难发现队列结构的一些特点：

• 先进入的数据先出去；
• 数据从队尾进入，从队首出去；
• 基于数组描述队列下标变更频繁；
• 出队列算法可以基于容器大小取模；

队列结构的核心是对容器内是否空、是否满标志的判断算法，即容器为空不可再取，容器已满无法再存；该算法结构在仓储领域的适应非常广泛。

3、消息队列

消息队列就是基于数据结构中的“先进先出”策略实现的，将消息以排队的方式放入队列中，然后出队列被消费：

有时候某类消息消费需要有顺序控制，即可以对消息中的公共ID做取模处理，即把某类消息都置于一个队列中即可。

4、API使用案例

LinkedList类实现Queue队列接口，因此可以基于LinkedList模拟队列效果。

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

public class M01_Queue {
    public static void main(String[] args) {
        // 入队列
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();
        queue.add("head") ;
        queue.add("middle") ;
        queue.add("tail") ;
        // 当队列出数据之后，size是不断变化的
        int queueSize = queue.size() ;
        int loop = 0 ;
        // 根据队列大小，不断出队列
        while (loop < queueSize) {
            System.out.println(queue.poll());
            System.out.println(queue);
            loop ++ ;
        }
    }
}

二、栈结构

1、基础概念

栈（stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表。限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈(push)，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素；从一个栈删除元素又称作出栈或退栈(pop)，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。

2、特点描述

栈是一个先入后出的有序列表，添加和删除只能在栈顶端(Top)操作，另一端为固定的一端，称为栈底(Bottom)。

入栈示意图：

出栈示意图：

通过上述两张图解，栈结构的一些特点如下：

• 进栈出栈都要通过栈顶端操作；
• 进出栈都不移动栈底指针；
• 进出栈都要移动栈顶指针；

基于栈的定义可知，最先放入栈中元素在栈底，最后放入的元素在栈顶，从栈容器中而删除元素刚好相反，最后放入的元素最先删除，最先放入的元素最后删除。

3、递归应用

栈在Java编程中的常见应用，(1)子程序的调用：在跳往子程序前，会将下个指令的地址存到堆栈中，直到子程序执行完后再将地址取出，退回到原来的程序中;(2)处理递归调用：和子程序的调用类似，除了存储下一个指令的地址外，也要将参数、区域变量等数据存入堆栈中。

4、API使用案例

Stack栈API是Vector的一个子类，它实现了一个标准的后进先出的栈，堆栈只定义了默认构造函数，用来创建一个空栈，堆栈除了包括由Vector定义的所有方法，也定义了自己的一些方法。

import java.util.Stack;

public class M02_Stack {
    public static void main(String[] args) {
        // 入堆栈
        Stack<String> stack = new Stack<>() ;
        stack.push("First") ;
        stack.push("Second") ;
        stack.push("Third") ;
        int stackSize = stack.size() ;
        int loop = 0 ;
        // 根据栈大小，不断出栈
        while (loop < stackSize) {
            System.out.println(stack.pop());
            System.out.println(stack);
            loop ++ ;
        }
    }
}

三、源代码地址

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

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序号 文章标题 01 算法和结构(01)：稀疏数组和二维数组转换 02 算法应用：RSA算法，加密解密，签名验签流程详解 03 算法应用：递归算法，处理树形结构下的业务数据