《队列和栈的应用》课件

队列和栈的应用本课件覆盖结构应用与算法行业与面试高频考点讲解课程目标与预期收获掌握基础理解应用队列与栈的核心概念深入典型应用场景算法提升实际问题解决能力什么是数据结构？抽象数据类型线性结构数据与操作的逻辑模型一对一关系连接与实现细节分离常见数组、链表、栈、队列队列和栈的定义队列定义栈定义有序集合有序集合一端添加，另一端移除同一端添加和移除基本操作创建、添加、删除、判空队列的特点先进先出入队操作出队操作FIFO原则添加元素至队尾移除队首元素栈的特点后进先出LIFO原则入栈操作压入元素到栈顶出栈操作弹出栈顶元素队列结构与实现顺序存储链式存储1数组实现链表实现2长度变化头尾指针43动态调整front和rear栈结构与实现顺序栈数组实现链栈链表实现空间管理大小固定或动态调整循环队列原理假溢出现象指针处理线性存储问题取模运算循环存储判空判满首尾相连特殊条件动态栈与动态扩容动态收缩扩容策略空间利用率低时减小容量扩容触发常见两倍扩容初始容量达到阈值自动扩容根据预估使用量设置队列在操作系统中的作用资源分配公平分配处理资源作业调度进程管理与优先级缓冲区管理输入输出流控制任务调度中的队列模型单队列调度多级队列调度先来先服务多个优先级队列简单实现任务分类无优先级区分动态调整可能栈在软件系统中的应用函数调用栈撤销功能语法分析跟踪程序执行路径操作历史记录编译器表达式解析函数递归与系统堆栈递归本质函数自我调用调用帧参数、局部变量、返回地址展开过程堆栈向下增长回溯过程堆栈向上收缩队列在消息系统中的应用RabbitMQ KafkaRedis Queue开源消息队列高吞吐量分布式系统轻量级队列现实生活中的队列栈在算法中的基础应用括号匹配表达式求值压入左括号操作数栈匹配右括号出栈运算符栈最终栈空则匹配成功优先级处理栈的工作流仿真浏览器历史编辑器操作后退栈撤销栈前进栈重做栈应用状态状态保存回滚功能队列在图论中的应用选择起点入队初始顶点扩展邻居出队并访问相邻点层级扩散距离逐层增加路径记录构建最短路径用栈实现深度优先搜索1起点入栈初始顶点压入栈中2探索当前栈顶元素出栈并访问3邻居入栈未访问的相邻点压栈4递归回溯栈空时搜索完成双端队列（）Deque特点适用场景两端均可操作需要在两端高效操作比队列灵活滑动窗口问题同时具备栈和队列特性工作窃取算法优先队列及实现高效获取极值O1获取最大/最小元素堆结构实现二叉堆为常见实现操作复杂度插入和删除为Olog n单调队列及其作用单调栈及应用单调递增栈单调递减栈栈中元素单调递增栈中元素单调递减用于寻找下一个较小元素用于寻找下一个较大元素队列的典型算法例题void levelOrderTreeNode*root{queue q;if rootq.pushroot;while!q.empty{TreeNode*node=q.front;q.pop;//处理当前节点if node-left q.pushnode-left;if node-right q.pushnode-right;}}栈的典型算法例题void reverseArrayintarr[],int n{stack s;//入栈for inti=0;in;i++s.pusharr[i];//出栈并赋值for inti=0;in;i++{arr[i]=s.top;s.pop;}}多队列系统实例阻塞队列进程等待资源就绪队列等待CPU调度运行队列正在执行的进程完成队列执行结束的进程括号匹配算法细解遍历字符从左到右处理左括号入栈遇到左括号压入栈中右括号匹配栈顶必须是匹配左括号验证结果栈空则全部匹配队列解锁约瑟夫环问题初始化计数传递所有人入队不足m则重新入队循环淘汰直到只剩一人第m个人出队不返回栈解决表达式求值过程中缀扫描从左到右读表达式转换后缀通过栈处理运算符优先级后缀求值操作数入栈，遇运算符出栈计算实现浏览器历史功能两栈设计访问新页面后退栈当前页入后退栈前进栈清空前进栈前进后退栈间元素相互转移图的广度优先遍历详细流程二叉树的层序遍历入队根节点子节点入队初始化队列左右子节点按序入队1234当前层处理循环继续出队并访问节点直到队列为空队列与栈在树结构中的应用对比层序遍历深度遍历BFS DFS使用队列使用栈水平扩展垂直探索层级关系明显路径搜索优势队列在实际工程中的案例栈在编译器中的实际应用语法分析符号流处理表达式解析运算符优先级处理语法树构建3结构化表示代码用队列实现栈算法设计class MyStack{queue q1,q2;void pushintx{q

1.pushx;}int pop{//将q1中除最后一个元素外全部移至q2while q

1.size1{q

2.pushq

1.front;q

1.pop;}//获取q1中最后一个元素int result=q

1.front;q

1.pop;//交换q1和q2swapq1,q2;return result;}}用栈实现队列算法设计查看队首出队操作同理从输出栈获取入队操作输出栈为空则倒入输入栈元素设计思路元素压入输入栈输入栈和输出栈配合队列和栈的高频面试题LeetCode括号匹配最小栈设计12LeetCode20LeetCode155滑动窗口最大值用栈实现队列34LeetCode239LeetCode232应对复杂数据流消息缓冲限流机制数据分片控制处理速率并行处理提升吞吐双缓冲队列熔断降级读写分离应对突发流量2314高频栈与高频队列实现计数栈频率队列每个元素关联频率按使用频率组织元素O1查找频率最高元素优化缓存命中率多线程与并发队列线程安全阻塞队列无锁队列同步原语保护生产者消费者模型CAS操作提高性能手写队列与栈常见分析Bug边界条件处理内存问题并发错误空栈/队列操作内存泄漏竞态条件满栈/队列处理指针未初始化死锁情况队列栈的空间与时间复杂度操作队列栈插入O1O1删除O1O1访问O1O1搜索On On队列和栈的边界测试点空结构操作容量边界空队列出队满栈压栈极端输入大量数据或特殊值算法竞赛实战中的队列栈技巧选择最优数据结构场景适配空间优化技巧避免不必要的复制常数优化方法减少基本操作次数队列和栈的变种与拓展环形缓冲区最值栈混合队列流数据处理常数时间查询最值结合多种特性发展前景与新型应用云原生系统微服务架构1分布式消息队列事件驱动通信2流处理边缘计算43实时数据分析分布式事件处理常见误区及答疑概念混淆实现陷阱错误选型队列与栈使用场景忽略边界条件场景与数据结构不匹配基础操作区别未考虑性能因素过度优化导致复杂度高总结与学习建议掌握基础理解核心概念与实现实践练习刷题巩固应用能力系统设计在实际项目中应用创新思考优化现有解决方案。