图解数据结构：栈和队列

前言

阅读此篇之前，强烈建议先仔细阅读上一篇图解数据结构：数组和单链表，会有事半功倍的效果，并且此篇的代码，基本上是复用上一篇的实现。

上一篇主要讲解了数组和链表这两种线性结构的特点、区别、时间复杂度分析等。对数组和链表的划分，实际上是物理结构（存储结构）的划分。
物理结构有两种基本的结构：顺序存储结构、链式存储结构。而本篇所讲解的栈和队列属于逻辑结构上的划分。逻辑结构分为线性结构、非线性结构。

线性结构：有且仅有一个开始节点和一个终端节点，每个节点最多只有一个直接前驱和一个直接后继。代表结构：栈、队列
非线性结构：一个节点可能有多个直接前驱和多个直接后继。代表结构：树、图

本篇主要讲解栈和队列的特点、区别，以及用数组和链表分别实现栈和队列。

栈

堆栈（英语：stack）又称为栈或堆叠，是计算机科学中的一种抽象数据类型，只允许在有序的线性数据集合的一端（称为堆栈顶端，英语：top）进行加入数据（英语：push）和移除数据（英语：pop）的运算。因而按照后进先出（LIFO, Last In First Out）的原理运作。

栈的主要特点就是LIFO（Last In First Out，后进先出），并且程序只能操作栈的一端，被操作的一端叫做栈顶（Top）。所以栈的使用非常简单，但是实现的功能却非常强大。
栈的主要操作有两个个：入栈(push)、出栈(pop)。

入栈（push）

如图所示，栈就像一个瓶子，只有一个口。三个元素A、B、C先后入栈，先入栈的放在底部，后入栈的放在上面。

出栈(pop)

根据图示，栈顶的元素最先出栈。这与入栈的顺序刚好相反，入栈顺序是A->B->C，出栈顺序是C->B->A。也就是说：栈是LIFO（Last In First Out，后进先出的）。
看似简单的栈，应用十分广泛。操作系统的函数调用、各类编辑器的撤销操作的实现都离不开栈。

栈有两种实现方式：顺序栈、链式栈。

顺序栈

顺序栈用数组实现，基于上一篇图解数据结构：数组和单链表，我们实现了动态数组，实际上用数组实现栈，就是将数组的增、删操作限制在头部或者尾部，即只能在数组的一端操作元素，就成了顺序栈，复用上一篇的代码，实现顺序栈就很简单了。

// 动态数组实现顺序栈
public class ArrayStack<E> {// 此处ArrayList为上一篇博客所实现的private ArrayList<E> list;public ArrayStack() {list = new ArrayList();}/*** 入栈* @param e* @return*/public E push(E e) {list.add(e);return e;}/*** 出栈* @return*/public E pop() {return list.remove();}/*** 查看栈顶元素* @return*/public E peek() {return list.get(list.size() - 1);}
}

注意：pop()和peek()方法都能返回栈顶元素，pop()方法会删除栈顶元素，也就是出栈。而peek()方法仅仅是查看栈顶元素，不会删除栈顶元素。
以上几个方法的时间复杂度在动态数组ArrayList中都已经分析过了，此处不再赘述。
完整代码下载地址：
Github：ArrayStack.java

链式栈

链式栈是用链表实现栈，也就是上一篇实现的LinkedList。由于复用了上一篇的代码，所以实现起来也非常简单，基本上只需要把顺序栈中ArrayList换成LinkedList就可以了。

队列

队列，又称为伫列（queue），是先进先出（FIFO, First-In-First-Out）的线性表。在具体应用中通常用链表或者数组来实现。队列只允许在后端（称为rear）进行插入操作，在前端（称为front）进行删除操作。
队列的操作方式和堆栈类似，唯一的区别在于队列只允许新数据在后端进行添加。

与栈（stack）不同的是，队列是FIFO（First In First Out，先进先出），进入队列的一端叫尾部（rear），出队列的一端叫头部（front）。队列的主要操作也有两个：入队（offer）、出队（poll）

入队

从图中可以看到，A、B、C三个元素都是从队尾（rear）进入，就像现实生活中的排队，先来的就排在前面。

出队

从图中可以看出，出队的顺序是A->B->C，也就是入队的顺序，即说明了队列是遵循FIFO的。队列的引用也十分广泛，锁的实现、生产者-消费者模型等都离不开队列。

队列也有两种实现方式：顺序队列、链式队列。

顺序队列

顺序队列用数组实现，基于上一篇图解数据结构：数组和单链表，我们实现了动态数组，用数组实现队列，就是将数组的增操作限制在尾部，删操作限制在头部，即分别只能在数组的一端操作元素，就成了顺序队列，复用上一篇的代码。

public class ArrayQueue<E> {// 此处ArrayList为上一篇博客所实现的private ArrayList<E> list;public ArrayQueue() {list = new ArrayList();}/*** 出队* @param e*/public void offer(E e) {list.add(e);}/*** 入队* @return*/public E poll() {return list.remove(0);}/*** 查看队列头部元素* @return*/public E peek() {return list.get(0);}}

注意：poll()和peek()方法都能返回队列头部元素，poll()方法会删除队列头部元素，也就是出队。而peek()方法仅仅是查看队列头部元素，不会删除队列头部元素。
完整代码下载地址：
Github：ArrayQueue.java

链式队列

链式队列是用链表实现队列，也就是上一篇实现的LinkedList。由于复用了上一篇的代码，所以实现起来也非常简单，基本上只需要把顺序队列中ArrayList换成LinkedList就可以了。

总结

对于栈和队列的简单实现，其实上一篇就已经实现过了，所以本篇的重点是理解栈和队列的工作方式、结构区别、使用区别等。栈和队列是比较简单的线性结构，但是简单不代表用得少。实际上栈和队列的应用非常广泛，理解其工作原理，是使用好栈和队列的第一步，也是最重要的一步。