栈与队列——这两种基础却强大的数据结构，是几乎每个程序员在编写代码时都会碰到的。它们不仅能帮助你解决各种问题，还能在实际应用中大大提高效率。不论你是刚入门编程的新手，还是正在寻求优化的开发者，这篇文章都将为你揭开栈与队列的神秘面纱，带你深入理解它们的工作原理和应用场景。
一、栈：先进后出的“魔法盒子”
栈是一种遵循“先进后出”原则（LIFO，Last In, First Out）的数据结构。可以将其想象成一个盛放书本的盒子。每次添加新书时，它都会放在最上面；而每次取书时，也只能取到最上面的那本书。这种结构适用于需要反向处理数据的场景，比如撤销操作、递归调用等。
栈的基本操作：
- push(x) ：将元素x推入栈中。
- pop() ：从栈中移除并返回最上面的元素。
栈的实现
我们可以通过数组来实现栈。以下是一个简单的栈操作示例：
const stack = []
// 压入元素
stack.push('a')
stack.push('b')
stack.push('c')
// 弹出元素
console.log(stack.pop()) // 输出 'c'
console.log(stack.pop()) // 输出 'b'
在这个例子中，栈遵循了“先进后出”的原则，最后加入的元素（'c'）最先被弹出。
栈的应用
栈广泛应用于以下几个场景：
- 递归调用：函数的调用栈就是使用栈来实现的，每次函数调用都会被压入栈中，返回时则从栈中弹出。
- 括号匹配：检查表达式中的括号是否正确匹配，可以利用栈来实现。
- 撤销操作：在文本编辑器中，栈可以用于实现撤销功能。每次用户执行操作，都会将当前状态压入栈中，撤销时则弹出栈顶元素。
二、队列：先进先出的“传送带”
与栈不同，队列遵循“先进先出”原则。可以把队列比作一个排队等候的队伍，第一个排队的人会最先被服务，而后面的人则需要等待。
队列的基本操作
队列通常包含两种基本操作：
- push(x) ：将元素x添加到队列的末尾。
- shift() ：从队列的前端移除并返回最先进入队列的元素。
队列的实现
在JavaScript中，我们可以使用数组来模拟队列。以下是一个简单的队列操作示例：
const queue = []
// 入队
queue.push('1a')
queue.push('2b')
queue.push('3c')
// 出队
console.log(queue.shift()) // 输出 '1a'
console.log(queue.shift()) // 输出 '2b'
在这个例子中，队列遵循了“先进先出”的原则，第一个入队的元素（'1a'）最先被出队。
队列的应用
队列在计算机科学中有许多应用场景，最常见的包括：
- 任务调度：操作系统中的进程调度往往使用队列来保证任务按顺序执行。
- 宽度优先搜索：在图的遍历算法中，广度优先搜索（BFS）常用队列来存储待遍历的节点。
- 缓存系统：比如消息队列，在分布式系统中，消息会按顺序进入队列，消费者按顺序处理。
三、栈与队列的进阶实现
用栈实现队列:
在某些情况下，我们需要将栈的特性与队列的特性结合起来。这时，我们可以使用两个栈来实现一个队列。
具体思路是：当队列为空时，将栈1中的元素全部转移到栈2中，这样栈2的顶部就成了队列的头部。
以下是用两个栈实现队列的代码：
var MyQueue = function() {
this.stack1 = []
this.stack2 = []
};
MyQueue.prototype.push = function(x) {
this.stack1.push(x)
};
MyQueue.prototype.pop = function() {
if (this.stack2.length === 0) {
while (this.stack1.length > 0) {
this.stack2.push(this.stack1.pop())
}
}
return this.stack2.pop()
};
MyQueue.prototype.peek = function() {
if (this.stack2.length === 0) {
while (this.stack1.length > 0) {
this.stack2.push(this.stack1.pop())
}
}
return this.stack2[this.stack2.length - 1]
};
MyQueue.prototype.empty = function() {
return this.stack1.length === 0 && this.stack2.length === 0
};
用队列实现滑动窗口最大值：LeetCode 239
这个问题考察了如何在队列中维护当前窗口的最大值。
var maxSlidingWindow = function (nums, k) {
const result = []
const deque = []
for (let i = 0; i < nums.length; i++) {
// 移除过期元素
if (deque.length > 0 && deque[0] < i - k + 1) {
deque.shift()
}
// 移除队列中小于当前元素的所有元素
while (deque.length > 0 && nums[deque[deque.length - 1]] < nums[i]) {
deque.pop()
}
deque.push(i)
// 将当前窗口的最大值添加到结果中
if (i >= k - 1) {
result.push(nums[deque[0]])
}
}
return result
};
最后
无论是实现撤销功能、管理任务队列，还是进行图算法遍历，栈和队列都在我们的程序中扮演着重要角色。理解并熟练掌握它们的应用，将使你在解决编程问题时更加得心应手。如果你遇到任何问题或有不同的见解，欢迎在评论区留言与大家分享！
