《棧和隊列補充》課件

《棧和隊列補充》課程目標棧和隊列定義和特點深入理解棧和隊列的基本概念，以及它們在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的重要性。基本操作和實現(xiàn)掌握棧和隊列的基本操作，包括入棧、出棧、入隊、出隊，以及它們的實現(xiàn)方式。應(yīng)用場景和典型案例通過實際案例，了解棧和隊列在各種場景中的應(yīng)用，例如表達式求值、函數(shù)調(diào)用、任務(wù)調(diào)度等。棧和隊列簡介棧和隊列是兩種重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在計算機科學中有著廣泛的應(yīng)用。它們都是線性結(jié)構(gòu)，但它們在元素的添加和刪除方式上有所不同。棧遵循“后進先出”的原則，而隊列遵循“先進先出”的原則。棧的定義和特點后進先出(LIFO)棧是一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，遵循后進先出的原則，即最后插入的元素第一個被取出。單端操作棧只能在棧頂進行元素的插入(入棧)和刪除(出棧)操作。應(yīng)用廣泛棧在函數(shù)調(diào)用、表達式求值、瀏覽器歷史記錄等方面都有廣泛的應(yīng)用。棧的基本操作入棧(push)將一個元素添加到棧頂出棧(pop)從棧頂刪除一個元素獲取棧頂元素(top)獲取棧頂元素，但不刪除它判斷棧是否為空(empty)檢查棧是否為空棧的實現(xiàn)方式數(shù)組實現(xiàn)使用數(shù)組來存儲棧元素，棧頂指針指向數(shù)組末尾，入棧操作為在數(shù)組末尾添加元素，出棧操作為刪除數(shù)組末尾元素。鏈表實現(xiàn)使用鏈表來存儲棧元素，棧頂指針指向鏈表頭部，入棧操作為在鏈表頭部插入元素，出棧操作為刪除鏈表頭部元素。棧應(yīng)用示例1:表達式求值11.掃描表達式從左到右掃描表達式，將數(shù)字和運算符分別壓入數(shù)字棧和運算符棧。22.處理運算符遇到運算符時，根據(jù)運算符優(yōu)先級，彈出運算符棧頂?shù)倪\算符進行計算，并將結(jié)果壓入數(shù)字棧。33.計算最終結(jié)果當表達式掃描完畢后，數(shù)字棧頂即為表達式的最終結(jié)果。棧應(yīng)用示例2:函數(shù)調(diào)用1返回地址保存當前函數(shù)執(zhí)行完后的下一條指令地址2局部變量存儲函數(shù)內(nèi)部使用的臨時變量3函數(shù)參數(shù)傳遞給函數(shù)的輸入值隊列的定義和特點先進先出(FIFO)隊列遵循先進先出的原則，即最先進入隊列的元素最先被取出。線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列是一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，元素之間按順序排列，每個元素都有一個前驅(qū)和后繼?；静僮魅腙?Enqueue)出隊(Dequeue)獲取隊頭(Front)獲取隊尾(Rear)隊列的基本操作1入隊將元素添加到隊列的尾部2出隊從隊列的頭部移除元素3取隊頭元素返回隊列頭部的元素，但不移除元素4判斷隊列是否為空檢查隊列是否為空隊列的實現(xiàn)方式數(shù)組使用數(shù)組實現(xiàn)隊列，可以利用數(shù)組的連續(xù)存儲特性，方便地訪問元素。鏈表使用鏈表實現(xiàn)隊列，可以動態(tài)地調(diào)整隊列大小，避免數(shù)組的固定容量限制。隊列應(yīng)用示例1:任務(wù)調(diào)度1任務(wù)隊列任務(wù)被添加到隊列中，等待執(zhí)行。2調(diào)度器從隊列中取出任務(wù)并分配給可用的資源。3執(zhí)行任務(wù)在分配的資源上執(zhí)行。任務(wù)調(diào)度器使用隊列來管理任務(wù)的執(zhí)行順序，確保任務(wù)按照先到先服務(wù)的順序執(zhí)行。隊列應(yīng)用示例2:廣度優(yōu)先搜索圖的遍歷廣度優(yōu)先搜索(BFS)是一種用于圖遍歷的算法，它從圖中某個節(jié)點開始，逐層訪問其相鄰節(jié)點。隊列的作用隊列用于存儲待訪問節(jié)點，保證節(jié)點按照層次順序進行訪問，從而實現(xiàn)廣度優(yōu)先遍歷。應(yīng)用場景BFS廣泛應(yīng)用于路徑搜索、最短路徑問題和圖的連通性判斷等。棧和隊列的時間復(fù)雜度分析棧和隊列的基本操作通常具有恒定的時間復(fù)雜度，表示操作所需時間與數(shù)據(jù)規(guī)模無關(guān)。棧和隊列的空間復(fù)雜度分析O(n)空間復(fù)雜度棧和隊列的空間復(fù)雜度通常與元素數(shù)量成正比。O(1)平均情況在大多數(shù)情況下，它們的空間復(fù)雜度是常數(shù)級別的。O(n)最壞情況在極端情況下，它們的空間復(fù)雜度可能與元素數(shù)量成正比。棧和隊列的特點對比1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧和隊列都是線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它們在數(shù)據(jù)存儲和訪問方式上有所不同。2操作棧遵循“后進先出(LIFO)”原則，而隊列遵循“先進先出(FIFO)”原則。3應(yīng)用場景棧適用于函數(shù)調(diào)用、表達式求值等，而隊列適用于任務(wù)調(diào)度、廣度優(yōu)先搜索等。棧和隊列的應(yīng)用場景分析程序設(shè)計棧和隊列在程序設(shè)計中廣泛應(yīng)用，例如函數(shù)調(diào)用、表達式求值、回溯算法、遞歸算法等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧和隊列是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，在各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法中發(fā)揮重要作用，例如樹、圖、排序、查找等。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)使用棧和隊列來管理進程、線程、內(nèi)存、中斷、設(shè)備驅(qū)動等。棧和隊列的常見問題空?；蚩贞犃腥绾闻袛鄺；蜿犃惺欠駷榭?，以及如何處理空?；蚩贞犃械那闆r？溢出或下溢如何避免?；蜿犃幸绯觯约叭绾翁幚項；蜿犃邢乱绲那闆r？循環(huán)隊列如何實現(xiàn)循環(huán)隊列，以及如何處理循環(huán)隊列中的邊界問題？棧和隊列的拓展形式雙端隊列允許在兩端進行插入和刪除操作,結(jié)合了棧和隊列的特性。優(yōu)先級隊列元素按照優(yōu)先級排序,優(yōu)先級高的元素先出隊,廣泛用于任務(wù)調(diào)度和事件處理。循環(huán)隊列隊列的存儲空間是循環(huán)的,提高空間利用率,避免邊界溢出問題。棧和隊列的經(jīng)典算法題目括號匹配滑動窗口最大值用棧實現(xiàn)隊列用隊列實現(xiàn)棧棧和隊列的算法題目講解1深入理解概念通過解決問題鞏固對棧和隊列的理解2提高代碼能力運用棧和隊列實現(xiàn)算法3拓展思維方式學習解題技巧和策略棧和隊列的應(yīng)用綜合案例1瀏覽器歷史記錄使用棧實現(xiàn)瀏覽器歷史記錄功能，用戶可以輕松地后退或前進到之前訪問的網(wǎng)頁。2文本編輯器撤銷和重做使用棧實現(xiàn)文本編輯器的撤銷和重做功能，用戶可以方便地撤銷或重做之前的操作。3操作系統(tǒng)進程調(diào)度使用隊列實現(xiàn)操作系統(tǒng)的進程調(diào)度功能，將所有等待執(zhí)行的進程按順序放入隊列，并按順序調(diào)度執(zhí)行。本章小結(jié)棧和隊列本章介紹了棧和隊列的概念，包括定義、特點、基本操作、實現(xiàn)方式以及應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧和隊列作為重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在計算機科學中有著廣泛的應(yīng)用。算法本章還探討了與棧和隊列相關(guān)的經(jīng)典算法題目，并講解了解題思路。思考題和練習1棧和隊列的區(qū)別解釋棧和隊列在數(shù)據(jù)存儲方式、訪問方式和典型應(yīng)用場景方面的區(qū)別。2棧和隊列的實現(xiàn)描述用數(shù)組和鏈表實現(xiàn)棧和隊列的優(yōu)缺點，以及各自的應(yīng)用場景。3棧和隊列的應(yīng)用舉例說明棧和隊列在計算機科學中的實際應(yīng)用，例如表達式求值、函數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的遍歷。參考資料和擴展閱讀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法深入了解棧和隊列的底層原理和應(yīng)用場景。編程語言文檔學習不同編程語言中棧和隊列的實現(xiàn)方式和使用方法。在線課程平臺探索與棧和隊列相關(guān)的優(yōu)質(zhì)課程和學習資源。答疑和交流課后有任何問題，歡迎隨時與老師或助教交流，共同探討學習中的困惑，促進理解和掌握。下一步學習計劃深入學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)例如樹、圖等更復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，了解其基本概念、實現(xiàn)方式和應(yīng)用場景。學習算法掌握常見算法，如排序算法、搜索算法、動態(tài)規(guī)劃等，并能運用到實際問