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Polish the chapter of stack_and_queue, tree
This commit is contained in:
@@ -1,12 +1,12 @@
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# 双向队列
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对于队列,我们只能在头部删除或在尾部添加元素,而「双向队列 Deque」更加灵活,在其头部和尾部都能执行元素添加或删除操作。
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对于队列,我们仅能在头部删除或在尾部添加元素。然而,「双向队列 Deque」提供了更高的灵活性,允许在头部和尾部执行元素的添加或删除操作。
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## 双向队列常用操作
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双向队列的常用操作见下表,方法名需根据语言来确定。
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双向队列的常用操作如下表所示,具体的方法名称需要根据所使用的编程语言来确定。
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<div class="center-table" markdown>
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@@ -21,7 +21,7 @@
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相同地,我们可以直接使用编程语言实现好的双向队列类。
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同样地,我们可以直接使用编程语言中已实现的双向队列类。
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=== "Java"
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@@ -285,15 +285,15 @@
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## 双向队列实现 *
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与队列类似,双向队列同样可以使用链表或数组来实现。
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双向队列的实现与队列类似,可以选择链表或数组作为底层数据结构。
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### 基于双向链表的实现
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回忆上节内容,由于可以方便地删除链表头节点(对应出队操作),以及在链表尾节点后添加新节点(对应入队操作),因此我们使用普通单向链表来实现队列。
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回顾上一节内容,我们使用普通单向链表来实现队列,因为它可以方便地删除头节点(对应出队操作)和在尾节点后添加新节点(对应入队操作)。
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而双向队列的头部和尾部都可以执行入队与出队操作,换言之,双向队列的操作是“首尾对称”的,也需要实现另一个对称方向的操作。因此,双向队列需要使用「双向链表」来实现。
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对于双向队列而言,头部和尾部都可以执行入队和出队操作。换句话说,双向队列需要实现另一个对称方向的操作。为此,我们采用「双向链表」作为双向队列的底层数据结构。
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我们将双向链表的头节点和尾节点分别看作双向队列的队首和队尾,并且实现在两端都能添加与删除节点。
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我们将双向链表的头节点和尾节点视为双向队列的队首和队尾,同时实现在两端添加和删除节点的功能。
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=== "LinkedListDeque"
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@@ -392,7 +392,7 @@
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### 基于数组的实现
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与基于数组实现队列类似,我们也可以使用环形数组来实现双向队列。在实现队列的基础上,增加实现“队首入队”和“队尾出队”方法即可。
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与基于数组实现队列类似,我们也可以使用环形数组来实现双向队列。在队列的实现基础上,仅需增加“队首入队”和“队尾出队”的方法。
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=== "ArrayDeque"
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@@ -473,6 +473,6 @@
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## 双向队列应用
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双向队列同时表现出栈与队列的逻辑,**因此可以实现两者的所有应用,并且提供更高的自由度**。
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双向队列兼具栈与队列的逻辑,**因此它可以实现这两者的所有应用场景,同时提供更高的自由度**。
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我们知道,软件的“撤销”功能需要使用栈来实现;系统把每一次更改操作 `push` 到栈中,然后通过 `pop` 实现撤销。然而,考虑到系统资源有限,软件一般会限制撤销的步数(例如仅允许保存 $50$ 步),那么当栈的长度 $> 50$ 时,软件就需要在栈底(即队首)执行删除,**但栈无法实现,此时就需要使用双向队列来替代栈**。注意,“撤销”的核心逻辑仍然是栈的先入后出,只是双向队列可以更加灵活地实现。
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我们知道,软件的“撤销”功能通常使用栈来实现:系统将每次更改操作 `push` 到栈中,然后通过 `pop` 实现撤销。然而,考虑到系统资源的限制,软件通常会限制撤销的步数(例如仅允许保存 $50$ 步)。当栈的长度超过 $50$ 时,软件需要在栈底(即队首)执行删除操作。**但栈无法实现该功能,此时就需要使用双向队列来替代栈**。请注意,“撤销”的核心逻辑仍然遵循栈的先入后出原则,只是双向队列能够更加灵活地实现一些额外逻辑。
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@@ -1,14 +1,14 @@
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# 队列
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「队列 Queue」是一种遵循先入先出(first in, first out)数据操作规则的线性数据结构。顾名思义,队列模拟的是排队现象,即外面的人不断加入队列尾部,而处于队列头部的人不断地离开。
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「队列 Queue」是一种遵循先入先出(First In, First Out)规则的线性数据结构。顾名思义,队列模拟了排队现象,即新来的人不断加入队列的尾部,而位于队列头部的人逐个离开。
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我们将队列头部称为「队首」,队列尾部称为「队尾」,将把元素加入队尾的操作称为「入队」,删除队首元素的操作称为「出队」。
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我们把队列的头部称为「队首」,尾部称为「队尾」,把将元素加入队尾的操作称为「入队」,删除队首元素的操作称为「出队」。
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## 队列常用操作
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队列的常用操作见下表。需要注意,不同编程语言的方法名是不同的,在这里我们采用与栈相同的方法命名。
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队列的常见操作如下表所示。需要注意的是,不同编程语言的方法名称可能会有所不同。我们在此采用与栈相同的方法命名。
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<div class="center-table" markdown>
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@@ -20,7 +20,7 @@
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</div>
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我们可以直接使用编程语言实现好的队列类。
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我们可以直接使用编程语言中现成的队列类。
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=== "Java"
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@@ -254,11 +254,11 @@
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## 队列实现
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队列需要一种可以在一端添加,并在另一端删除的数据结构,也可以使用链表或数组来实现。
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为了实现队列,我们需要一种数据结构,可以在一端添加元素,并在另一端删除元素。因此,链表和数组都可以用来实现队列。
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### 基于链表的实现
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我们将链表的「头节点」和「尾节点」分别看作是队首和队尾,并规定队尾只可添加节点,队首只可删除节点。
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对于链表实现,我们可以将链表的「头节点」和「尾节点」分别视为队首和队尾,规定队尾仅可添加节点,而队首仅可删除节点。
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=== "LinkedListQueue"
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@@ -269,7 +269,7 @@
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=== "pop()"
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以下是使用链表实现队列的示例代码。
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以下是用链表实现队列的示例代码。
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=== "Java"
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@@ -333,16 +333,16 @@
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### 基于数组的实现
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数组的删除首元素的时间复杂度为 $O(n)$ ,这会导致出队操作效率低下。然而,我们可以采取下述的巧妙方法来避免这个问题。
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由于数组删除首元素的时间复杂度为 $O(n)$ ,这会导致出队操作效率较低。然而,我们可以采用以下巧妙方法来避免这个问题。
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考虑借助一个变量 `front` 来指向队首元素的索引,并维护变量 `queSize` 来记录队列长度。我们定义 `rear = front + queSize` ,该公式计算出来的 `rear` 指向“队尾元素索引 $+1$ ”的位置。
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我们可以使用一个变量 `front` 指向队首元素的索引,并维护一个变量 `queSize` 用于记录队列长度。定义 `rear = front + queSize` ,这个公式计算出的 `rear` 指向队尾元素之后的下一个位置。
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在该设计下,**数组中包含元素的有效区间为 `[front, rear - 1]`** ,进而
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基于此设计,**数组中包含元素的有效区间为 [front, rear - 1]**,进而:
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- 对于入队操作,将输入元素赋值给 `rear` 索引处,并将 `queSize` 自增 $1$ 即可;
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- 对于出队操作,仅需将 `front` 自增 $1$ ,并将 `queSize` 自减 $1$ 即可;
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- 对于入队操作,将输入元素赋值给 `rear` 索引处,并将 `queSize` 增加 1 ;
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- 对于出队操作,只需将 `front` 增加 1 ,并将 `queSize` 减少 1 ;
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观察发现,入队与出队操作都仅需单次操作即可完成,时间复杂度皆为 $O(1)$ 。
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可以看到,入队和出队操作都只需进行一次操作,时间复杂度均为 $O(1)$ 。
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=== "ArrayQueue"
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@@ -353,9 +353,9 @@
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=== "pop()"
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细心的同学可能会发现一个问题:在不断入队与出队的过程中,`front` 和 `rear` 都在向右移动,**在到达数组尾部后就无法继续移动了**。为解决此问题,**我们考虑将数组看作是首尾相接的**,这样的数组被称为「环形数组」。
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你可能会发现一个问题:在不断进行入队和出队的过程中,`front` 和 `rear` 都在向右移动,**当它们到达数组尾部时就无法继续移动了**。为解决此问题,我们可以将数组视为首尾相接的「环形数组」。
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对于环形数组,我们需要令 `front` 或 `rear` 在越过数组尾部后,直接绕回到数组头部接续遍历。这种周期性规律可以通过「取余操作」来实现,详情请见以下代码。
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对于环形数组,我们需要让 `front` 或 `rear` 在越过数组尾部时,直接回到数组头部继续遍历。这种周期性规律可以通过“取余操作”来实现,代码如下所示。
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=== "Java"
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@@ -417,13 +417,11 @@
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[class]{ArrayQueue}-[func]{}
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```
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以上实现的队列仍存在局限性,即长度不可变。不过这个问题很容易解决,我们可以将数组替换为列表(即动态数组),从而引入扩容机制。有兴趣的同学可以尝试自行实现。
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以上实现的队列仍然具有局限性,即其长度不可变。然而,这个问题不难解决,我们可以将数组替换为动态数组,从而引入扩容机制。有兴趣的同学可以尝试自行实现。
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## 两种实现对比
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与栈的结论一致,在此不再赘述。
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两种实现的对比结论与栈一致,在此不再赘述。
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## 队列典型应用
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- **淘宝订单**。购物者下单后,订单就被加入到队列之中,随后系统再根据顺序依次处理队列中的订单。在双十一时,在短时间内会产生海量的订单,如何处理「高并发」则是工程师们需要重点思考的问题。
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- **各种待办事项**。任何需要实现“先来后到”的功能,例如打印机的任务队列、餐厅的出餐队列等等。
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- **淘宝订单**。购物者下单后,订单将加入队列中,系统随后会根据顺序依次处理队列中的订单。在双十一期间,短时间内会产生海量订单,高并发成为工程师们需要重点攻克的问题。
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- **各类待办事项**。任何需要实现“先来后到”功能的场景,例如打印机的任务队列、餐厅的出餐队列等。队列在这些场景中可以有效地维护处理顺序。
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@@ -1,16 +1,16 @@
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# 栈
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「栈 Stack」是一种遵循先入后出(first in, last out)数据操作规则的线性数据结构。我们可以将栈类比为放在桌面上的一摞盘子,如果需要拿出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次取出。
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「栈 Stack」是一种遵循先入后出(First In, Last Out)原则的线性数据结构。
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“盘子”是一种形象比喻,我们将盘子替换为任意一种元素(例如整数、字符、对象等),就得到了栈数据结构。
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我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子,如果需要拿出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次取出。我们将盘子替换为各种类型的元素(如整数、字符、对象等),就得到了栈数据结构。
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我们将这一摞元素的顶部称为「栈顶」,将底部称为「栈底」,将把元素添加到栈顶的操作称为「入栈」,将删除栈顶元素的操作称为「出栈」。
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在栈中,我们把堆叠元素的顶部称为「栈顶」,底部称为「栈底」。将把元素添加到栈顶的操作叫做「入栈」,而删除栈顶元素的操作叫做「出栈」。
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## 栈常用操作
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栈的常用操作见下表,方法名需根据编程语言来确定,此处我们以常见的 `push` , `pop` , `peek` 为例。
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栈的常用操作如下表所示,具体的方法名需要根据所使用的编程语言来确定。在此,我们以常见的 `push()` , `pop()` , `peek()` 命名为例。
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<div class="center-table" markdown>
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@@ -22,7 +22,7 @@
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</div>
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我们可以直接使用编程语言实现好的栈类。 某些语言并未专门提供栈类,但我们可以直接把该语言的「数组」或「链表」看作栈来使用,并通过“脑补”来屏蔽无关操作。
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通常情况下,我们可以直接使用编程语言内置的栈类。然而,某些语言可能没有专门提供栈类,这时我们可以将该语言的「数组」或「链表」视作栈来使用,并通过“脑补”来忽略与栈无关的操作。
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=== "Java"
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@@ -252,15 +252,15 @@
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## 栈的实现
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为了更加清晰地了解栈的运行机制,接下来我们来自己动手实现一个栈类。
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为了深入了解栈的运行机制,我们来尝试自己实现一个栈类。
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栈规定元素是先入后出的,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组或链表都可以在任意位置添加删除元素,因此 **栈可被看作是一种受约束的数组或链表**。换言之,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使之对外的表现逻辑符合栈的规定即可。
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栈遵循先入后出的原则,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组和链表都可以在任意位置添加和删除元素,**因此栈可以被视为一种受限制的数组或链表**。换句话说,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使其对外表现的逻辑符合栈的特性。
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### 基于链表的实现
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使用「链表」实现栈时,将链表的头节点看作栈顶,将尾节点看作栈底。
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使用链表来实现栈时,我们可以将链表的头节点视为栈顶,尾节点视为栈底。
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对于入栈操作,将元素插入到链表头部即可,这种节点添加方式被称为“头插法”。而对于出栈操作,则将头节点从链表中删除即可。
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对于入栈操作,我们只需将元素插入链表头部,这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于出栈操作,只需将头节点从链表中删除即可。
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=== "LinkedListStack"
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@@ -335,7 +335,7 @@
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### 基于数组的实现
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使用「数组」实现栈时,考虑将数组的尾部当作栈顶。这样设计下,「入栈」与「出栈」操作就对应在数组尾部「添加元素」与「删除元素」,时间复杂度都为 $O(1)$ 。
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在基于「数组」实现栈时,我们可以将数组的尾部作为栈顶。在这样的设计下,入栈与出栈操作就分别对应在数组尾部添加元素与删除元素,时间复杂度都为 $O(1)$ 。
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=== "ArrayStack"
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@@ -346,7 +346,7 @@
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=== "pop()"
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由于入栈的元素可能是源源不断的,因此可以使用支持动态扩容的「列表」,这样就无需自行实现数组扩容了。以下是示例代码。
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由于入栈的元素可能会源源不断地增加,因此我们可以使用动态数组,这样就无需自行处理数组扩容问题。以下为示例代码。
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=== "Java"
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@@ -412,28 +412,28 @@
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### 支持操作
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两种实现都支持栈定义中的各项操作,数组实现额外支持随机访问,但这已经超出栈的定义范畴,一般不会用到。
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两种实现都支持栈定义中的各项操作。数组实现额外支持随机访问,但这已超出了栈的定义范畴,因此一般不会用到。
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### 时间效率
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在数组(列表)实现中,入栈与出栈操作都是在预先分配好的连续内存中操作,具有很好的缓存本地性,效率很好。然而,如果入栈时超出数组容量,则会触发扩容机制,那么该次入栈操作的时间复杂度为 $O(n)$ 。
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在基于数组的实现中,入栈和出栈操作都是在预先分配好的连续内存中进行,具有很好的缓存本地性,因此效率较高。然而,如果入栈时超出数组容量,会触发扩容机制,导致该次入栈操作的时间复杂度变为 $O(n)$ 。
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在链表实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时变慢的问题。然而,入栈操作需要初始化节点对象并修改指针,因而效率不如数组。进一步地思考,如果入栈元素不是 `int` 而是节点对象,那么就可以省去初始化步骤,从而提升效率。
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在链表实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是,入栈操作需要初始化节点对象并修改指针,因此效率相对较低。不过,如果入栈元素本身就是节点对象,那么可以省去初始化步骤,从而提高效率。
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综上所述,当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型(例如 `int` , `double` )时,则结论如下:
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综上所述,当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型(如 `int` , `double` )时,我们可以得出以下结论:
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- 数组实现的栈在触发扩容时会变慢,但由于扩容是低频操作,因此 **总体效率更高**;
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- 链表实现的栈可以提供 **更加稳定的效率表现**;
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- 基于数组实现的栈在触发扩容时效率会降低,但由于扩容是低频操作,因此平均效率更高;
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- 基于链表实现的栈可以提供更加稳定的效率表现;
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### 空间效率
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在初始化列表时,系统会给列表分配“初始容量”,该容量可能超过我们的需求。并且扩容机制一般是按照特定倍率(比如 2 倍)进行扩容,扩容后的容量也可能超出我们的需求。因此,**数组实现栈会造成一定的空间浪费**。
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在初始化列表时,系统会为列表分配“初始容量”,该容量可能超过实际需求。并且,扩容机制通常是按照特定倍率(例如 2 倍)进行扩容,扩容后的容量也可能超出实际需求。因此,**基于数组实现的栈可能造成一定的空间浪费**。
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当然,由于节点需要额外存储指针,因此 **链表节点比数组元素占用更大**。
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然而,由于链表节点需要额外存储指针,**因此链表节点占用的空间相对较大**。
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综上,我们不能简单地确定哪种实现更加省内存,需要 case-by-case 地分析。
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综上,我们不能简单地确定哪种实现更加节省内存,需要针对具体情况进行分析。
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## 栈典型应用
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- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就将上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过「后退」操作来回到上一页面,后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么则需要两个栈来配合实现。
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- **程序内存管理**。每当调用函数时,系统就会在栈顶添加一个栈帧,用来记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推会不断执行入栈,向上回溯阶段时出栈。
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- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就会将上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过「后退」操作回到上一页面。后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么需要两个栈来配合实现。
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- **程序内存管理**。每次调用函数时,系统都会在栈顶添加一个栈帧,用于记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推阶段会不断执行入栈操作,而向上回溯阶段则会执行出栈操作。
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@@ -1,7 +1,7 @@
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# 小结
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- 栈是一种遵循先入后出的数据结构,可以使用数组或链表实现。
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- 在时间效率方面,栈的数组实现具有更好的平均效率,但扩容时会导致单次入栈操作的时间复杂度劣化至 $O(n)$ 。相对地,栈的链表实现具有更加稳定的效率表现。
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- 在空间效率方面,栈的数组实现会造成一定空间浪费,然而链表节点比数组元素占用内存更大。
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- 队列是一种遵循先入先出的数据结构,可以使用数组或链表实现。对于两种实现的时间效率与空间效率对比,与上述栈的结论相同。
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- 双向队列的两端都可以添加与删除元素。
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- 栈是一种遵循先入后出原则的数据结构,可通过数组或链表来实现。
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- 从时间效率角度看,栈的数组实现具有较高的平均效率,但在扩容过程中,单次入栈操作的时间复杂度会降低至 $O(n)$ 。相比之下,基于链表实现的栈具有更为稳定的效率表现。
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- 在空间效率方面,栈的数组实现可能导致一定程度的空间浪费。但需要注意的是,链表节点所占用的内存空间比数组元素更大。
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- 队列是一种遵循先入先出原则的数据结构,同样可以通过数组或链表来实现。在时间效率和空间效率的对比上,队列的结论与前述栈的结论相似。
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- 双向队列是一种具有更高自由度的队列,它允许在两端进行元素的添加和删除操作。
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