【技术积累】数据结构中栈与队列及其相关算法【一】
什么是栈
栈是一种特殊的数据结构，它的各个元素按照一定的次序排列，且只能在表的一端（称为栈顶）进行添加和删除数据，这种数据结构遵循后进先出（LIFO）的原则。栈可以简单地理解为一种容器，它在使用时非常方便，因为只需在顶部压入（push）或弹出（pop）元素即可。
栈可以直接使用数组或链表等数据结构来实现。在程序执行中，栈最常见的应用场景是函数调用。每当一个函数被调用，它将会被压入栈中。当函数的执行完成时，它又会从栈中弹出。在这种情况下，栈可以帮助计算机留存执行函数的上下文信息。栈还可以用于中断回调、表达式求值、递归、括号匹配等。
栈顶和栈底分别指向位置固定的两个元素，通常认为栈底是位置固定的元素，而顶部是最近添加的元素。当栈为空时，栈顶和栈底指向同一个位置。在栈中还有一些常用操作，如查看栈顶元素（top）和判断栈是否为空等。实现这些操作的时间复杂度都是O(1)。
什么是队列
队列是一种先进先出（FIFO）的线性数据结构，它的元素按照一定的顺序排列，只允许在队尾添加元素，在队头删除元素。队列通常用于存储按顺序排列的数据。
队列可以简单地比喻为一个管道，元素从一端进入（enqueue），从另一端出去（dequeue）。队列的实现一般使用数组或链表，其中数组实现的队列叫作顺序队列，链表实现的队列叫作链式队列。
队列也有一些常见的操作，如查看队头元素（peek）、获取队列长度（size）和判断队列是否为空等。这些操作的时间复杂度都是O(1)。
队列应用的场景非常广泛。在计算机系统中，排队等待的请求往往被组织成一个队列，例如打印作业、进程调度、网络中的传输请求等。在算法实现中，广度优先遍历（BFS）中就使用了队列。同时，队列还可以被用于生产者消费者问题，即一个线程生产数据并放入队列，另一个线程从队列中取出数据并消费。
栈与队列的联系和区别
栈和队列是两种基本的线性数据结构，它们都具有一些共同的特点，同时也有着不同的用途和实现方式。
1. 相同点
（1）都是数据通路为一条直线的线性结构；
（2）都支持两种基本操作：入栈（入队）和出栈（出队）；
（3）都可以用数组或链表实现；
（4）都可以用于实现计算机算法和程序设计中的各种逻辑结构；
2. 区别
（1）入队和入栈的区别：
入队是将元素插入到队列的尾部；
入栈是将元素插入到栈顶；
（2）出队和出栈的区别：
出队是从队列的头部删除一个元素；
出栈是删除栈顶的元素；
（3）特性上的区别：
栈是一种后进先出（LIFO，Last In First Out）的数据结构；
队列是一种先进先出（FIFO，First In First Out）的数据结构；
（4）用途的区别：
栈的主要应用场景是在程序中进行函数调用、表达式求值和内存管理等方面；
队列的主要应用场景是在程序中进行任务调度、消息处理和缓存等方面。
总之，栈和队列都是重要的线性数据结构，具有不同的特性和应用场景，程序设计者需要根据不同的需求选择合适的数据结构来实现算法和数据管理。
栈与队列的操作
栈与队列都是常用的数据结构，它们都有自己独特的特点和操作，下面分别介绍栈与队列的操作。
栈的操作
栈是一种后进先出（Last In First Out）的数据结构，只能对最后插入的元素进行访问和操作，操作如下：
1. 入栈（Push）：向栈顶插入一个元素，栈顶指针向上移动。
2. 出栈（Pop）：删除栈顶元素，栈顶指针向下移动。
3. 取栈顶元素（Top）：返回栈顶元素的值，不改变栈的结构。
4. 判断栈是否为空（IsEmpty）：当栈中没有任何元素时，返回真。
队列的操作
队列是一种先进先出（First In First Out）的数据结构，只能对最早插入的元素进行访问和操作，操作如下：
1. 入队（Enqueue）：向队尾插入一个元素，队尾指针向上移动。
2. 出队（Dequeue）：删除队头元素，队头指针向下移动。
3. 取队头元素（Front）：返回队头元素的值，不改变队列的结构。
4. 取队尾元素（Rear）：返回队尾元素的值，不改变队列的结构。
5. 判断队列是否为空（IsEmpty）：当队列中没有任何元素时，返回真。
以上是栈与队列的基本操作，不同的应用场景会有相应的操作扩展。
如何实现入栈，出栈，入队，出队
入栈操作
1.将要入栈的元素压入栈顶
2.栈顶指针加1
伪代码：
procedure push(stack, element)
if stack.is_full():
error("stack overflow")
else:
stack.top = stack.top + 1
stack[stack.top] = element出栈操作
1.取出栈顶元素
2.栈顶指针减1
伪代码：
procedure pop(stack)
if stack.is_empty():
error("stack underflow")
else:
element = stack[stack.top]
stack.top = stack.top - 1
return element入队操作
1.将要入队的元素加入队尾
2.队尾指针加1
伪代码：
procedure enqueue(queue, element)
if queue.is_full():
error("queue overflow")
else:
queue.tail = queue.tail + 1
queue[queue.tail] = element出队操作
1.取出队头元素
2.队头指针加1
伪代码：
procedure dequeue(queue)
if queue.is_empty():
error("queue underflow")
else:
element = queue[queue.head]
queue.head = queue.head + 1
return element判断栈与队列是否为空
栈和队列的判断操作描述如下：
判断栈是否为空
- 如果栈顶指针等于-1，说明栈为空，返回true
- 否则，栈不为空，返回false。
function isStackEmpty(stack):
if stack.top == -1:
return true
else:
return false判断栈是否已满
- 如果栈顶指针等于栈的最大容量减一，说明栈已满，返回true；
- 否则，栈未满，返回false。
function isStackFull(stack):
if stack.top == stack.capacity - 1:
return true
else:
return false判断队列是否为空
- 如果队列的头和尾指针相等，说明队列为空，返回true；
- 否则，队列不为空，返回false。
function isQueueEmpty(queue):
if queue.head == queue.tail:
return true
else:
return false判断队列是否已满
- 如果尾指针加1对队列最大容量取模等于头指针，说明队列已满，返回true；
- 否则，队列未满，返回false。
function isQueueFull(queue):
if (queue.tail + 1) % queue.capacity == queue.head:
return true
else:
return false判断栈与队列的大小
获取栈的大小
- 如果栈为空，返回0；
- 否则，返回栈顶指针加1。
function getStackSize(stack):
if stack.top == -1:
return 0
else:
return stack.top + 1获取队列的大小
- 如果队列为空，返回0；
- 否则，返回尾指针减头指针对队列最大容量取模加1。
function getQueueSize(queue):
if queue.head == queue.tail:
return 0
else:
return (queue.tail - queue.head + queue.capacity) % queue.capacity + 1栈中数据的访问方式是什么？
栈中数据的访问方式操作描述如下：
获取栈顶元素
- 如果栈为空，返回空值null；
- 否则，返回栈顶元素。
function getTop(stack):
if stack.top == -1:
return null
else:
return stack.data[stack.top]获取栈中指定位置的元素
- 如果栈为空或指定位置超出范围，返回空值null；
- 否则，返回指定位置的元素。
function getStackElement(stack, position):
if stack.top == -1 or position < 0 or position > stack.top:
return null
else:
return stack.data[position]如何遍历栈中的元素
从栈底到栈顶遍历栈中元素
- 如果栈为空，结束遍历；
- 否则，从栈底开始遍历栈中元素直到栈顶。
function traverseStackFromBottom(stack):
if stack.top == -1:
return
for i from 0 to stack.top:
// 对每个元素执行相应操作
process(stack.data[i])从栈顶到栈底遍历栈中元素
- 如果栈为空，结束遍历；
- 否则，从栈顶开始遍历栈中元素直到栈底。
function traverseStackFromTop(stack):
if stack.top == -1:
return
for i from stack.top to 0:
// 对每个元素执行相应操作
process(stack.data[i])在栈的顶部添加或者删除元素
在栈的顶部添加或者删除元素操作描述如下：
在栈顶添加元素
- 如果栈已满，操作失败，返回false；
- 否则，将元素添加到栈顶，栈顶指针加1，操作成功，返回true。
function pushToStack(stack, element):
if isStackFull(stack):
return false
stack.top = stack.top + 1
stack.data[stack.top] = element
return true从栈顶删除元素
- 如果栈为空，操作失败，返回null；
- 否则，删除栈顶元素并返回，栈顶指针减1，操作成功。
function popFromStack(stack):
if isStackEmpty(stack):
return null
element = stack.data[stack.top]
stack.top = stack.top - 1
return element热门相关：倾心之恋：总裁的妻子 半仙 神算大小姐 我的女友2 成人高校教师