数据结构知识：链表，队列和栈的区别

        链表，队列和栈都是数据结构的一种。Sartaj Sahni 在他的《数据结构、算法与应用》一书中称：“数据结构是数据对象，以及存在于该对象的实例和组成实例的数据元素之间的各种联系。这些联系可以通过定义相关的函数来给出。”他将数据对象（data object）定义为“一个数据对象是实例或值的集合”。

 

一. 链表

1.定义

        链表(Linked list)是一种常见的基础数据结构，是一种线性表，但是并不会按线性的顺序存储数据，而是在由一个个节点组成，每个节点（node）中储存着数据变量（data）和指针变量（node next），又有一个头节点（head）连接下面的节点，而最后一个节点指向空（null）。可以在链表类中定义增加，删除，插入，遍历，修改等方法，故常用来储存数据。

 

2. 优点

      （1）.使用链表结构可以克服数组链表需要预先知道数据大小的缺点，链表结构可以充分利用计算机内存空间，实现灵活的内存动态管理。

      （2）.数据的存取往往要在不同的排列顺序中转换，而链表是一种自我指示数据类型，因为它包含指向另一个相同类型的数据的指针（链接）。链表允许插入和移除表上任意位置上的节点，但是不允许随机存取。

 

3. 缺点

        链表失去了数组随机读取的优点，同时链表由于增加了结点的指针域，空间开销比较大。

 

4. 类型

        主要有单向链表，双向链表以及循环链表。

 

5. 实例

（1）.单向链表

 

（2）.双向链表

 

6. 与数组（Array）的对比

        链表的使用不需要知道数据的大小，而数组在创建时必须指明数组的大小。

        链表没有对应的下标，只有指向下一个数据的指针，而数组中每一个都有一个相对应的下标。

        链表在内存中储存的数据可以是不连续的，而数组储存的数据占内存中连续的一段，用标识符标识。

 

 

二. 队列

1. 定义

        队列是一种特殊的线性表，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。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。队列中没有元素时，称为空队列。

        在队列这种数据结构中，最先插入的元素将是最先被删除的元素；反之最后插入的元素将最后被删除的元素，因此队列又称为“先进先出”（FIFO—first in first out）的线性表。

 

2. 队列的方法

add(E e)     将指定的元素插入此队列（如果立即可行且不会违反容量限制），在成功时返回 true，如果当

                     前没有可用的空间，则抛出 IllegalStateException。返回boolean。
element()   获取不移除此队列的头，如果此队列为空，则抛出NoSuchElementException，返回泛型E。
offer(E e)   将指定的元素插入此队列（如果立即可行且不会违反容量限制），当使用有容量限制的队列时，

                     此方法通常要优于 add(E)，后者可能无法插入元素，而只是抛出一个异常。返回boolean。
peek()         获取不移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。返回泛型E。
poll()            获取并移除此队列的头，如果此队列为空，则返回 null。返回泛型E。
remove()    获取并移除此队列的头。返回泛型E。

 

3. 队列的使用和假溢出

        队列可以用数组Q[1…m]来存储，数组的上界是m，最大容量是m。在队列的运算中需设两个指针：队头指针（head），指向实际队头元素的前一个位置；队尾指针（tail），指向实际队尾元素所在的位置，队列中拥有的元素个数为:N=tail-head。一般情况下，两个指针的初值设为０，这时队列为空，没有元素。

       若数组定义Q[1…10]，head=2，tail=8。如果要让排头的元素出队，则需将头指针加１。即head=head+1这时头指针向上移动一个位置，指向Q(3)，表示Q(3)已出队。如果想让一个新元素入队，则需尾指针向上移动一个位置。即tail=tail+1这时Q(9)入队。当队尾已经处理在最上面时，即tail=10，如果还要执行入队操作，则要发生"上溢"，但实际上队列中还有三个空位置，所以这种溢出称为"假溢出"。

 

4. 循环队列的概念

        为充分利用向量空间，克服"假溢出"现象的方法是：将向量空间想象为一个首尾相接的圆环，并称这种向量为循环向量。存储在其中的队列称为循环队列（Circular Queue）。

        循环队列的入队算法：

       （1）. tail=tail+1；

 　  （2）. 若tail=m+1，则tail=1；

       （3）. 若head=tail尾指针与头指针重合了，判断空或满；

       （4）. 否则，Q[tail]=X，结束（X为新入出元素）。

        循环队列的出队算法：

       （1）. 若head=tail尾指针与头指针重合了，判断空或满； 

       （2）. 若不重合head=head+1；

       （3）. 若head=m+1,则head=1；

       （4）. 移除Q[head]，结束。

        循环队列中，由于入队时尾指针向前追赶头指针；出队时头指针向前追赶尾指针，造成队空和队满时头尾指针均相等。因此，无法通过条件front==rear来判别队列是"空"还是"满"。 

        解决这个问题的方法至少有两种：

　　 ① 另设一布尔变量以区别队列的空和满；

　　 ② 另一种方式就是数据结构常用的：队满时：(tail+1)%n=head，n为队列长度（所用数组大小），由于tail，head均为所用空间的指针，循环只是逻辑上的循环，所以需要求余运算。如图情况，队已满，但是tail+1=5+1=6，n=6，求余6%6=0=head。

  

 

 5. 阻塞队列（BlockingQueue）的概念

  

 

 

三. 栈     

1. 定义

        栈（Stack），是硬件。主要作用表现为一种数据结构，是只能在某一端插入和删除的特殊线性表。它按照后进先出的原则存储数据，先进入的数据被压入栈底，最后的数据在栈顶，需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据（最后一个数据被第一个读出来）。

　　栈是允许在同一端进行插入和删除操作的特殊线性表。允许进行插入和删除操作的一端称为栈顶(top)，另一端为栈底(bottom)；栈底固定，而栈顶浮动；栈中元素个数为零时称为空栈。插入一般称为进栈（PUSH），删除则称为退栈（POP）。栈也称为先进后出表。

 

2. 栈的方法

empty()  测试堆栈是否为空。返回boolean。

peek()     查看堆栈顶部的对象，但不从堆栈中移除它。返回泛型E。

pop()        移除堆栈顶部的对象，并作为此函数的值返回该对象。返回泛型E。

push(E item)   把项压入堆栈顶部。返回泛型E。

search(Object o)   返回对象在堆栈中的位置，以 1 为基数。返回int。

 

 

3. 栈的实现

        1、进栈（PUSH）算法

 

　　①若TOP≥ｎ时，则给出溢出信息，作出错处理（进栈前首先检查栈是否

         已满，满则溢出；不满则作②）；

　　②置TOP=TOP+1（栈指针加１，指向进栈地址）；

　　③S(TOP)=X，结束（X为新进栈的元素）；

 

　　2、退栈（POP）算法

　　①若TOP≤0，则给出下溢信息，作出错处理(退栈前先检查是否已为空栈，  

         空则下溢；不空则作②)；

　　②X=S(TOP)，（退栈后的元素赋给X）：

　　③TOP=TOP-1，结束（栈指针减１，指向栈顶）。