浅谈栈和队列的应用

浅谈栈与队列的应用

摘要：数据结构是计算机中一个非常重要的分支，它是现实世界数据与计算机世界数据连接的关键，它主要涵盖两方面的内容：逻辑层面的数据结构和计算机存储数据物理层的数据结构。关于数据结构中的线性表、栈、队列，将上述两方面的内容进行介绍，进行横向的比较，从而更清楚地看到它们之间的联系与区别，并分析它们在现实计算中的应用。

关键词：线性表；堆栈；队列；应用开发

Discussion on the Application of Stack and Queue Abstract: Data structure is a very important branch of a computer,it is the key of the connection of real world data and computer world data,it mainly covers the following two contents:logic level data structure and computer data storage physical layer data structure.About the data structure of the linear list,stack,queue,it introduces the content of the above-mentioned two aspects,carries on the horizontal comparison,thus more clearly see the relationship and difference between them.And analyzes them in real in the calculation of the application.

Key words: Linear List; Stack;Queue;Application Development

0 引言

栈和队列可以看作线性表的特例,它们都具有和线性表相同的存储方式,顺序存储和链式存储,栈有顺序栈和链式栈,队列有顺序队列和链式队列。但从数据类型角度看,它们是和线性表大不相同的两类重要的抽象数据类型。由于它们被广泛应用在各种软件系统中,因此在面向对象的程序设计中,它们是多型数据类型[1~2]。

1 基本概念

1.1 线性表的概念和特性

线性表是有限元素（a1,a2,a3…，an）有序序列的集合，a1,a2…，an都是完全相同结构的数据类型，同时它们之间的排列严格有序，其中任何元素都对应唯一的前驱以及唯一的后继。这样一个序列可以有查询、删除、插入队列任何位置的数据操作[3]。

1.2 栈的概念和特性

栈作为一种限定性线性表，它限定插入和删除操作都在表的同一端进行。允许插入和删除元素的一端称为栈顶，另一端为栈底；栈底固定，栈顶浮动。栈的插入操作被形象地称为进栈或入栈，删除操作称为出栈或退栈。我们只能从一端取出放入数据，即压入栈和弹出栈，所以它的顺序是“后进先出”，如图1。

作者简介：刘碧霞(1993年－)，女，本科，1063384634@。

1.3 队列的概念和特性

队列与栈类似，是另一种限定性的线性表，它只允许在表的一端插入元素，而在另一端删除元素。允许插入元素的一端称为队尾，允许删除元素的一端称为队头。它的操作不同的地方是两端存、取数据，且仅仅是一端取（队头）一端存（队尾），所以它的顺序是“先进

先出”，如图2。

图1 栈图2 队列

2 存储结构

2.1 顺序结构

线性表是用一定大小的数据来存放线性表，数组长度代表线性表的长度，元素在数组的位置代表元素在线性表的位置。但对数组中元素不能跳跃插入，因为线性表中元素是顺序且连接着的，不像数组中间可以空元素。同时删除元素时，必须大量移动剩下的元素，因为必须实现其连续性。插入元素同样需要大量移动数据。因此这样存储的运行效率并不够高。所以对于有着频繁插入和删除运算的线性表，是不适合采用顺序存储的。

堆栈是类似于线性表，利用数组存储，只从这个数组的一端插入和删除数据，不存在从中间“挖”数据，故不存在大量数据移动的问题，唯一不足的是数组大小是有限的，会存在栈满的现象。如果数组大小定义过大，则又有大量存储空间没有被利用，会有资源浪费。

队列是初始存储类似于线性表，但由于只能从一边进入另一边出，所以数据会随着数据操作而不断“前进”，使队列像一条“蠕虫”一样慢慢“爬过”队列定义的全部空间，而且“爬过”的空间就无法再次得到运用。“蠕虫”爬到数组尽头之后则无法前进，而此时很可能数组前端还有大量的数据未得到使用。因此我们将一个数组看作是“相连”的，即将整个数组看做一个环形，而队列“蠕虫”则会在这个环形轨道中持续“爬动”，直到数据装满整个数据空间。但这里还有第二个问题，这样的定义之后队列空与满，指向队头的front与指向队尾的rear所处的相对位置是完全一样的。这样一个类似于“活塞”的工具，它总是紧邻队列中第一个数据元素，是可以移动的，但它本身不存放任何数据。同时将队头指针指向这个“活塞”，那么队空与队满的冲突情况就得以避免[4]。

2.2 链式结构

由于数组的静态分配、不易扩充、插入删除会有大量数据移动等种种局限性，我们引入链式存储方式。通过动态分配存储空间，最有效地利用空间。

线性表是通过动态分配，分配物理上不一定相邻的存储单元。为表示他们的连续性连接性，再在分配这个存储单元时，附加一部分存储单元——指针域（也叫链接域）来指出这个元素的后继元素的存储地址。这样前面出现的删除时间复杂度高算法效率低的问题就得到了解决。但凡事都有两面性，插入删除操作虽然高效，但它在查找上的效率却不如数组方式，它无法访问任意位置的元素，也无法根据现在所处的位置（current指针处）去访问它前面的数据。对于这些不足，我们也提出一些解决方案，通过循环链表（将尾部的链接指向线性表的头部）或通过双向链表（元素中增加指针，指针指向直接前驱元素）。这样的链式存储