数据结构与算法：栈和队列-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了数据结构与算法：栈和队列。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1 栈

栈是一种后入先出（LIFO）的线性逻辑存储结构。只允许在栈顶进行进出操作。

数据结构与算法：栈和队列

1.1 栈基本操作

基本操作包括：入栈（push）/出栈（pop）/获取栈顶元素（peek）。

栈的实现主要有两种： 1. 数组实现，即顺序栈 2. 链表实现，即链式栈

无论是以数组还是以链表实现，入栈、出栈的时间复杂度都是O(1)。

栈的应用比如函数执行/括号匹配/表达式计算/浏览器前进后退。

数据结构与算法：栈和队列

1.2 设计栈

1.2.1 数组实现栈

class ArrayStack<T> {
  items: T[];
  constructor() {
    this.items = [];
  }
  /**
   * 入栈
   * @param item
   */
  push(item: T) {
    this.items.push(item);
  }
  /**
   * 出栈
   * @returns
   */
  pop() {
    if (this.isEmpty()) throw new Error('栈空');
    return this.items.pop();
  }
  /**
   * 获取栈顶元素
   * @returns
   */
  peek() {
    if (this.isEmpty()) throw new Error('栈空');
    return this.items[this.items.length - 1];
  }
  /**
   * 判空
   * @returns
   */
  isEmpty() {
    return this.items.length === 0;
  }
  /**
   * 获取栈元素的个数
   * @returns
   */
  getSize() {
    return this.items.length;
  }
}

1.2.2 链表实现栈

class LinkStack<T> {
  // 栈的长度
  size: number;
  // 栈顶指针
  top: LinkNode<T> | null;
  constructor() {
    this.size = 0;
    this.top = null;
  }
  /**
   * 入栈
   * @param item
   */
  push(val: T) {
    let node = new LinkNode(val);
    if (this.top === null) {
      // 栈空
      this.top = node;
    } else {
      // 栈非空
      node.next = this.top;
      this.top = node;
    }
    this.size = this.size + 1;
  }
  /**
   * 出栈
   * @returns
   */
  pop() {
    if (this.top === null) {
      // 栈空
      throw new Error('栈空');
    } else {
      // 栈非空
      const data = this.top.val; // 栈顶元素值
      this.top = this.top.next; // 新栈顶
      this.size = this.size - 1;
      return data;
    }
  }
  /**
   * 获取栈顶元素
   * @returns
   */
  peek() {
    if (this.top === null) {
      // 栈空
      throw new Error('栈空');
    } else {
      return this.top.val;
    }
  }
  /**
   * 判空
   * @returns
   */
  isEmpty() {
    return this.top === null;
  }
  /**
   * 获取栈元素的个数
   * @returns
   */
  getSize() {
    return this.size;
  }
}

1.3 剑指 offer 栈算法题（ typescript 版）

包含min函数的栈

栈的压入、弹出序列

2 队列

队列是一种先入先出（FIFO）的线性逻辑存储结构。只允许在队首进行出队（即delete删除）操作，队尾进行入队（即insert插入）操作。

2.1 队列基本操作

队列的基本操作包括：入队（enqueue）/ 出队（dequeue）/ 获取队头元素（peek）

队列的实现主要有两种： 1. 数组实现，即顺序队列 2. 链表实现，即链式队列。

无论是以数组还是以链表实现，入队、出队的时间复杂度都是O(1)。

队列的应用比如线程池、资源池、消息队列、异步队列。

数据结构与算法：栈和队列

2.2 设计队列

2.2.1 数组顺序队列

使用数组实现，使用shift出队时每次都要移动队列元素，效率不高。改进方案是可以队列初始化时就需要规定队列长度，通过判断队尾是否有空间，有就让元素一直入队，直到队尾没有空间位置，然后进行整体进行一次搬移，这样优化了入队的效率，平均时间复杂度还是 O(1)。

class ArrayQueue<T> {
  items: T[];
  constructor() {
    this.items = [];
  }
  /**
   * 入队
   * @param item
   */
  push(item: T) {
    this.items.push(item);
  }
  /**
   * 出队
   * @returns
   */
  pop() {
    if (this.isEmpty()) throw new Error('队列空');
    return this.items.shift();
  }
  /**
   * 获取队顶元素
   * @returns
   */
  peek() {
    if (this.isEmpty()) throw new Error('队列空');
    return this.items[0];
  }
  /**
   * 判空
   * @returns
   */
  isEmpty() {
    return this.items.length === 0;
  }
  /**
   * 获取队元素的个数
   * @returns
   */
  getSize() {
    return this.items.length;
  }
}

2.2.2 数组循环队列

数组实现，初始化需指定队列容量capacity，留一个空位，队空条件 head = tail，队满条件 head =( tail + 1) % capacity，队列元素个数(tail - head + capacity) % capacity）。

class LoopQueue {
  // 存放元素的数组
  values: (number | undefined)[];
  // 当前元素个数
  count: number;
  // 队的长度
  capacity: number;
  // 队尾
  head: number;
  // 队尾
  tail: number;
  constructor(capacity: number) {
    this.head = 0;
    this.tail = 0;
    this.capacity = capacity;
    this.count = 0;
    this.values = new Array(capacity);
  }
  /**
   * 入队
   * @param item
   */
  enQueue(val: number) {
    if (this.isFull()) {
      throw new Error('队满');
    }
    this.values[this.tail] = val;
    this.tail = (this.tail + 1) % this.capacity;
    this.count = this.count + 1;
    return true;
  }
  /**
   * 出队
   * @returns
   */
  deQueue(): number {
    if (this.isEmpty()) {
      throw new Error('队空');
    }
    const value = this.values[this.head] as number;
    this.values[this.head] = undefined;
    this.head = (this.head + 1) % this.capacity;
    this.count = this.count - 1;
    return value;
  }
  /**
   * 获取队头元素
   * @returns
   */
  peek() {
    if (this.isEmpty()) {
      throw new Error('队空');
    }
    const value = this.values[this.head];
    return value;
  }
  /**
   * 判空
   * @returns
   */
  isEmpty() {
    // 或 return this.head === this.tail
    return this.count === 0;
  }
  /**
   * 判满
   * @returns
   */
  isFull() {
    // 或 return this.head === (this.tail + 1) % this.capacity
    return this.count === this.capacity - 1;
  }
  /**
   * 获取队元素的个数
   * @returns
   */
  getSize() {
    return this.count;
  }
  /**
   * 清空队列
   * @returns
   */
  clear() {
    this.head = 0;
    this.tail = 0;
    this.count = 0;
    this.values = new Array(this.capacity);
    return true;
  }
}

2.2.3 链式顺序队列

链表实现，链表尾入队，链表头出队

class LinkQueue<T> {
  // 队的长度
  size: number;
  // 队尾指针
  head: LinkNode<T> | null;
  // 队尾指针
  tail: LinkNode<T> | null;
  constructor() {
    this.size = 0;
    this.head = null;
    this.tail = null;
  }
  /**
   * 入队
   * @param item
   */
  enQueue(val: T) {
    let node = new LinkNode(val);
    if (this.size === 0) {
      this.head = node;
      this.tail = node;
    } else {
      this.tail!.next = node;
      this.tail = this.tail!.next;
    }
    this.size = this.size + 1;
  }
  /**
   * 出队
   * @returns
   */
  deQueue() {
    if (this.size === 0) {
      // 队空
      throw new Error('队空');
    } else {
      // 队非空
      const node = this.head;
      this.head = node!.next;
      this.size = this.size - 1;
      return node!.val;
    }
  }
  /**
   * 获取队头元素
   * @returns
   */
  peek() {
    if (this.size === 0) {
      // 队空
      throw new Error('队空');
    } else {
      return this.head!.val;
    }
  }
  /**
   * 判空
   * @returns
   */
  isEmpty() {
    return this.size === 0;
  }
  /**
   * 获取队元素的个数
   * @returns
   */
  getSize() {
    return this.size;
  }
}