重温四大基础数据结构：数组、链表、队列和栈
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2020-08-06 06:07
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前言
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你好，我是彤哥，一个每天爬二十六层楼还不忘读源码的硬核男人。
数组、链表、队列、栈，是数据结构中最基础的四大结构，数组和链表更是基础中的基础，后续所有复杂的数据结构都是在它们的基础上演变而来的。
本节，我们就来重温这四大结构。
数组
关于数组，大家都比较熟悉了。
它是一种线性数据结构，使用一组连续的内存空间存储一组具有相同类型的数据。
这个概念中有三个关键词：线性、连续、相同类型。
线性，表示没有分叉，任意元素的前后元素最多只有一个，同样是线性结构的还有链表、队列等。
连续，它在内存空间中的存储是连续的，不间断的，前后两个元素紧挨着，不存在间隙。
相同类型，数组中存储的元素的类型一定是相同的，当然，在Java中，你可以使用Object代表所有类型，本质上，它们依然是相同类型。
正是有了上面三个特性，才使得数组具有了随机访问的特性，那么，什么是随机访问呢？
简单点说，你可以通过下标快速定位到数组中的元素，且时间复杂度是O(1)，它是怎么做到的呢？
我们知道，计算机中只有0和1，一切的一切都可以看作是0和1的各种组合，内存也是一样。
当我们创建一个数组，比如int[] array = new int[]{2, 5, 8, 7};时，它其实返回的是这个数组在内存中的位置（地址），我们知道，一个int类型占用4个字节，也就是32位的0或1，当我们访问数组下标为0的元素时，直接返回数组地址处取32位转成int即可，同样地，当我们访问数组下标为1的元素时，返回数组地址加上(32*1)的地址处取32位转成int，依此类推。
这也是大部分语言中数组下标从0开始的原因，试想如果下标从1开始，那么，计算内存地址的时候就变成了address + 32 * (i - 1)，这显然会造成一定的性能损耗。
链表
链表，它也是一种线程数据结构，与数组不同的是，它在内存空间中不一定是顺序存储的，为了保证链表中元素的连续性，一般使用一个指针来找到下一个元素。
上图是典型的单链表结构，在单链表中，只有一个指向下一个元素的指针。
如果要用Java类来表示单链表中的元素节点的话，大概看起来像这样子：
class Node {
int value;
Node next;
}
所以，链表不具有随机访问的特性，在链表中根据索引来查找元素只能从头开始（单链表），它的时间复杂度是O(n)。
上面我们说的是单链表，如果在单链表的基础上再增加一个前驱指针（指向前一个元素的指针），就变成了双向链表。
Java中的LinkedList就是典型的双向链表结构，双向链表既可以当作队列使用，又可以当作栈来使用，非常方便。
如果在双向链表的基础上再增加HashMap的功能，就变成了LinkedHashMap了，咳咳，扯远了。
希望学习LinkedList和LinkedHashMap源码解析的同学，可以关注我的公号主“彤哥读源码”。
这里提到了队列，那么，什么是队列呢？
队列
所谓队列，其实跟现实中的排队是一样的，其中的元素从一端进入，从另一端出去，英文叫做：First In，First Out，简写FIFO。
从这张图，也可以看出来，实现队列最简单的方式就是使用链表，把上图中的箭头倒过来即可。
入队时，将元素加入到链表尾端，出队时，将第一个元素删除并将头节点指向下一个节点即可。
让我们来看看使用链表实现队列的简单代码实现：
public class LinkedQueue {
Node head;
Node tail;
void offer(Integer value) {
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
Node node = new Node(value);
if (head == null) {
head = tail = node;
} else {
tail.next = node;
tail = node;
}
}
Integer poll() {
Node first = head;
if (first != null) {
head = first.next;
first.next = null;
return first.value;
} else {
return null;
}
}
static class Node {
int value;
Node next;
public Node(int value) {
this.value = value;
}
}
}
是不是很简单呢？
那么，数组能不能实现队列呢？
答案是肯定的，使用数组实现队列有很多种方式，其中一种是使用两个指针：入指针、出指针，它们分别指向下一个入队列和下一个出队列的位置。
入队时，在入指针处放入元素，同时入指针后移。
出队时，取出出指针处的元素返回，同时出指针后移。
当指针到达数组末尾时，返回数组开始的位置。
这样就形成了一个可以循环使用的数组，俗称环形数组。
此时，我们考虑一个问题，队列空和队列满时，两个指针都是指向同一个位置，似乎不太好处理。
其实，很简单，引入一个size变量标识队列中有多少个元素即可。
所以，这玩意儿要怎么实现呢？Show me the code!
public class ArrayQueue {
int[] array;
int offerIndex;
int pollIndex;
int size;
public ArrayQueue(int capacity) {
this.array = new int[capacity];
this.offerIndex = this.pollIndex = 0;
this.size = 0;
}
boolean offer(Integer value) {
if (value == null) {
throw new NullPointerException();
}
if (size == array.length) {
return false;
}
array[offerIndex] = value;
offerIndex = (offerIndex + 1) % array.length;
size++;
return true;
}
Integer poll() {
if (size == 0) {
return null;
}
int value = array[pollIndex];
pollIndex = (pollIndex + 1) % array.length;
size--;
return value;
}
}
OK，以上就是使用数组实现的队列，可以看到，与链表实现的队列相比，它需要指定容量，这叫做有界队列，如果需要使用数组实现无界队列，则需要加入扩容的机制，有兴趣的同学可以自己实现看看。
下面，我们再来看另一种基础的数据结构——栈。
栈
栈，它是与队列表现完全相反的数据结构，它的元素是先进的后出来，就像我们往一个杯子里面放东西一样，先放进去的放在最下面，只有把上面的东西拿出来后才能拿出下面压着的东西，这种行为用英文叫做：First In，Last Out，简称FILO。
栈，具有很多用处，计算机中很多处理都是通过栈这种数据结构来进行的，比如算术运算，准备两个栈，一个栈存储数字，一个栈存储符号，从头开始依次把字符压入到这两个栈中，当遇到符号优先级比栈顶元素低时，则取出栈顶符号，并从数字栈中取出两个数字进行运算，运算的结果再压回数字栈中，继续以此运行，当所有字符都放入栈之后，依次从数字栈中取出两个元素，并从符号栈中取出一个元素，进行计算，结果压回数字栈，继续以此运行，直到符号栈为空，或者数字栈只剩下一个元素为止，弹出这个数字即为最后的结果。
以3 + 2 * 4 -1为例：
好了，关于栈，我们就简单介绍到这里，后面，我们还会大量遇到这个数据结构。
后记
本节，我们一起重温了数组、链表、队列、栈这四种最基础的数据结构。
说起数组，我们看到，内存本身就是一张大数组，它里面的元素就是0和1，那么，我们能不能直接操作这些0和1呢？
答案是肯定的。
下一节，我们将介绍位运算，以及位图这种数据结构，彼时，我们将详细介绍如何使用位图来实现12306的抢票逻辑，关注我，及时获取最新推文。
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