《数据结构之栈和队列》课件

数据结构之栈和队列本课程学习目标了解栈和队列的基本概念，掌握其特点掌握栈和队列的实现方式，包括顺序和基本操作栈、链栈、顺序队列、循环队列和链式队列课程内容概述1栈的概念和操作2栈的应用场景3栈的实现方式4队列的概念和操作5队列的应用场景6队列的实现方式7栈和队列的对比分析栈和队列的应用选择9常见面试题解析什么是栈栈是一种特殊的线性数据结构，它遵循后进先出（）的原则，即最后**LIFO**插入的元素最先被取出，就像一个装盘子的盘架一样，最上面的盘子是最先被取出的栈的基本概念栈是一个有序的元素集合，其中元素只能在栈顶进行插入和删除操作，并且每个元素都对应一个唯一的顺序栈的特点后进先出（）LIFO栈的特点是后进先出（，），也称为先进后出**Last InFirst OutLIFO****（，）想象一个装盘子的盘架，最后放上去的盘子First InLast OutFILO**是最先被取出的栈的基本操作1**入栈（Push）**将一个元素添加到栈顶2**出栈（Pop）**从栈顶删除一个元素3**获取栈顶元素（Top）**获取栈顶元素的值，但不删除元素4**判空（Empty）**判断栈是否为空栈的入栈操作详解入栈操作将一个新的元素添加到栈顶具体步骤是•检查栈是否已满，如果已满，则无法进行入栈操作•将新的元素添加到栈顶，并将栈顶指针向上移动栈的出栈操作详解出栈操作从栈顶删除一个元素具体步骤是•检查栈是否为空，如果为空，则无法进行出栈操作•获取栈顶元素的值并将其删除•将栈顶指针向下移动栈的判空操作判空操作用于检查栈是否为空具体步骤是•检查栈顶指针是否指向栈底•如果栈顶指针指向栈底，则栈为空；否则，栈不为空栈的应用场景概述栈在计算机科学中具有广泛的应用，常见于以下场景栈在程序设计中的应用函数调用表达式求值递归栈用于存储函数调用时的参数、局部栈用于存储表达式求值过程中的运算栈用于保存递归函数的调用状态，以变量和返回地址，确保函数调用和返符和操作数，以便按照正确的优先级便函数调用结束后能够正确返回回的正常进行进行运算栈在递归中的应用递归函数的调用会导致函数自身多次调用，每次调用都会创建一个新的函数调用帧并将其压入栈中当递归调用结束时，函数调用帧会从栈中弹出，并返回到前一个函数调用状态栈在表达式求值中的应用栈可以用于中缀表达式转后缀表达式，以及后缀表达式的求值在后缀表达式求值中，操作数被压入栈，运算符从栈中弹出并进行运算，最终结果被压入栈顶栈在括号匹配中的应用栈可以用于检查括号匹配的正确性当遇到左括号时，将其压入栈中，当遇到右括号时，从栈中弹出左括号并进行匹配，如果匹配成功，则继续进行，否则匹配失败栈在浏览器历史记录中的应用浏览器使用栈来存储用户浏览过的网页历史记录用户点击后退按钮时，浏“”览器会从栈中弹出最近访问的网页地址并显示该页面栈的实现方式顺序栈顺序栈使用连续的内存空间来存储栈元素，可以使用数组来实现顺序栈的结构定义顺序栈的结构通常由一个数组和一个栈顶指针组成数组用于存储栈元素，栈顶指针指向栈顶元素的位置顺序栈的优点1实现简单，易于理解和操作2内存利用率高，不需要额外的内存开销顺序栈的缺点1容量固定，无法动态调整，可能出现栈溢出2插入和删除操作可能需要移动大量元素，效率较低顺序栈的代码实现顺序栈的代码实现可以使用数组来存储栈元素，并使用一个栈顶指针来指向栈顶元素的位置入栈操作将新的元素添加到数组中，出栈操作则将栈顶元素删除顺序栈的内存分析顺序栈的内存使用情况取决于栈的大小和元素类型顺序栈的元素存储在连续的内存空间中，因此需要预先分配足够的内存空间，如果栈溢出，则需要重新分配内存栈的实现方式链栈链栈使用链表来存储栈元素，每个节点包含一个数据域和一个指向下一个节点的指针链栈的结构定义链栈的结构通常由一个指向栈顶节点的指针和一个节点结构组成节点结构包含数据域和指向下一个节点的指针链栈的优点1容量可变，能够动态调整，避免栈溢出2插入和删除操作只需要修改指针，效率较高链栈的缺点1内存利用率相对较低，需要额外的内存开销用于存储指针2实现稍复杂，需要进行指针操作链栈的代码实现链栈的代码实现可以使用链表结构，每个节点包含数据域和指向下一个节点的指针入栈操作将新的节点添加到链栈的头部，出栈操作则将链栈的头部节点删除链栈的内存分析链栈的内存使用情况取决于栈中元素的数量和元素类型链栈的每个节点都需要额外的内存来存储指向下一个节点的指针，因此内存使用量会比顺序栈略多什么是队列队列也是一种特殊的线性数据结构，它遵循先进先出（）的原则，即**FIFO**最先插入的元素最先被取出，就像排队买票一样，先排队的人先买到票队列的基本概念队列是一个有序的元素集合，其中元素只能在队尾进行插入操作，在队首进行删除操作，并且每个元素都对应一个唯一的顺序队列的特点先进先出（）FIFO队列的特点是先进先出（，），也称为后进后出**First InFirst OutFIFO****（，）想象一个排队买票的队伍，最先排队的人最Last InLast OutLILO**先买到票队列的基本操作1**入队（Enqueue）**将一个元素添加到队尾2**出队（Dequeue）**从队首删除一个元素3**获取队首元素（Front）**获取队首元素的值，但不删除元素4**判空（Empty）**判断队列是否为空队列的入队操作详解入队操作将一个新的元素添加到队尾具体步骤是•检查队列是否已满，如果已满，则无法进行入队操作•将新的元素添加到队尾，并将队尾指针向后移动队列的出队操作详解出队操作从队首删除一个元素具体步骤是•检查队列是否为空，如果为空，则无法进行出队操作•获取队首元素的值并将其删除•将队首指针向前移动队列的判空操作判空操作用于检查队列是否为空具体步骤是•检查队首指针和队尾指针是否指向相同的位置•如果队首指针和队尾指针指向相同的位置，则队列为空；否则，队列不为空队列的应用场景概述队列在计算机科学中同样具有广泛的应用，常见于以下场景队列在操作系统中的应用进程调度中断处理操作系统使用队列来管理进程，操作系统使用队列来存储中断请将等待执行的进程放入队列中，求，按照先进先出的原则进行处按照先进先出的原则进行调度理设备管理操作系统使用队列来管理设备，将等待使用设备的进程放入队列中，按照先进先出的原则进行分配队列在打印任务管理中的应用打印机通常使用队列来管理打印任务当多个用户同时提交打印任务时，打印任务会被放入队列中，按照先进先出的原则进行打印队列在消息队列中的应用消息队列是一种重要的软件组件，它使用队列来存储消息，并允许不同进程之间进行异步通信队列在广度优先搜索中的应用广度优先搜索是一种图遍历算法，它使用队列来存储待访问的节点，按照层次进行遍历，直到找到目标节点队列的实现方式顺序队列顺序队列使用连续的内存空间来存储队列元素，可以使用数组来实现顺序队列的结构定义顺序队列的结构通常由一个数组、一个队首指针和一个队尾指针组成数组用于存储队列元素，队首指针指向队首元素的位置，队尾指针指向队尾元素的下一个位置顺序队列的优点1实现简单，易于理解和操作2内存利用率高，不需要额外的内存开销顺序队列的缺点1容量固定，无法动态调整，可能出现队列溢出2当队列中元素全部出队后，再入队时需要移动所有元素，效率较低顺序队列的代码实现顺序队列的代码实现可以使用数组来存储队列元素，并使用两个指针来指向队首和队尾元素的位置入队操作将新的元素添加到数组中，出队操作则将队首元素删除循环队列的概念循环队列是顺序队列的一种改进，它通过将数组首尾相连来解决顺序队列的假溢出问题，从而提高了空间利用率“”循环队列的实现循环队列的实现可以使用数组和两个指针来完成入队和出队操作需要考虑循环操作，并且需要一个判断队列满的条件循环队列的判满条件循环队列的判满条件需要根据队首指针和队尾指针的位置进行判断如果队首指针和队尾指针相邻，则队列已满循环队列的优势1提高了空间利用率，避免了顺序队列的“假溢出”问题2代码实现相对简单，易于理解和操作链式队列的结构定义链式队列的结构通常由一个指向队首节点的指针和一个指向队尾节点的指针组成，每个节点包含一个数据域和一个指向下一个节点的指针链式队列的优点1容量可变，能够动态调整，避免队列溢出2插入和删除操作只需要修改指针，效率较高链式队列的缺点1内存利用率相对较低，需要额外的内存开销用于存储指2实现稍复杂，需要进行指针操作针链式队列的代码实现链式队列的代码实现可以使用链表结构，每个节点包含数据域和指向下一个节点的指针入队操作将新的节点添加到链式队列的尾部，出队操作则将链式队列的头部节点删除双端队列的概念双端队列是一种可以从两端进行插入和删除操作的线性数据结构，它同时具有栈和队列的特性双端队列的特点双端队列的特点是可以在两端进行入队和出队操作，这使得它更加灵活，可以用于更多场景双端队列的应用双端队列可以用于实现编辑器的撤销和重做功能，也可以用于实现任务调度和网络协议等栈和队列的对比分析数据结构特点操作应用场景栈后进先出入栈、出栈、函数调用、表（）获取栈顶元达式求值、递LIFO素、判空归、括号匹配、浏览器历史记录队列先进先出入队、出队、操作系统进程（）获取队首元调度、打印任FIFO素、判空务管理、消息队列、广度优先搜索栈和队列在实际应用中的选择选择使用栈还是队列，需要根据具体的问题场景进行判断，例如如果需要实现函数调用或表达式求值，则应该选择使用栈；如果需要实现进程调度或打印任务管理，则应该选择使用队列常见面试题解析常见的面试题包括如何实现栈和队列的基本操作、栈和队列的应用场景以及一些常见的算法问题，例如使用栈实现队列，使用队列实现栈等编程练习题本课程提供了一些编程练习题，可以帮助你更好地理解栈和队列的原理和应用，例如实现一个简单的计算器、使用栈实现一个简单的文本编辑器等。