栈与队列：ADT描述及操作

"堆栈和队列的基本概念、ADT描述、存储结构及应用" 堆栈（栈）和队列是计算机科学中两种基础且重要的数据结构，它们都是线性表的特例，但操作方式有所不同。栈遵循“后进先出”（LIFO）原则，而队列遵循“先进先出”（FIFO）原则。 1. **栈的ADT（抽象数据类型）描述** 栈的ADT包括以下基本操作： - `Constructor`: 构造函数，用于创建和初始化一个新的空栈。 - `IsEmpty`: 判断栈是否为空，如果为空则返回`True`，否则返回`False`。 - `Push`: 向栈中添加一个元素，新元素成为栈顶元素。 - `Pop`: 删除栈顶元素并返回该元素的值，如果栈为空则操作无效。 - `Peek`: 查看栈顶元素，但不删除它。 - `ClearStack`: 清空栈，移除所有元素。 - `CurrentSize`: 返回栈中元素的数量。 - `IsEmpty`: 检查栈是否为空。 2. **栈的存储结构** 栈可以采用顺序存储（顺序栈）或链式存储（链栈）的方式实现： - **顺序栈**: 使用数组作为底层数据结构，栈顶指针记录栈顶元素的位置。 - **链栈**: 使用链表作为底层数据结构，每个节点包含数据和指向下一个节点的指针，栈顶指针指向链表的第一个节点。 3. **栈的应用** 栈在计算机领域有广泛的应用，如： - **递归调用**: 函数调用时，系统会使用栈来保存函数的返回地址和局部变量。 - **括号匹配**: 编程语言中的括号匹配问题，可以用栈来检查一对括号是否正确配对。 - **表达式求值**: 前缀、后缀表达式的计算可以通过栈来实现。 - **内存管理**: 操作系统的内存分配和回收使用栈来管理。 4. **队列的ADT描述** 队列的ADT通常包括： - `Constructor`: 初始化一个空队列。 - `IsEmpty`: 判断队列是否为空。 - `Enqueue`: 在队尾添加一个元素。 - `Dequeue`: 从队头移除并返回元素，如果队列为空则无效。 - `Front`: 获取队头元素，但不移除。 - `ClearQueue`: 清空队列。 - `CurrentSize`: 返回队列中元素数量。 5. **队列的存储结构** 队列也有顺序存储（循环队列）和链式存储（链队列）两种形式： - **循环队列**: 通过数组实现，当队列满时，队尾指针回到数组开头形成循环。 - **链队列**: 链表实现，队头和队尾各有一个指针，分别指向队头和队尾的元素。 6. **队列的应用** 队列在实际问题中扮演着重要角色： - **任务调度**: 操作系统中，进程调度使用队列来管理等待执行的任务。 - **打印机队列**: 多个打印任务按照FIFO原则排队等待打印。 - **网络路由**: 数据包在网络中传输时，可能需要排队等待处理。 - **优先队列**: 一种特殊的队列，其中元素根据优先级排序，例如，优先级高的任务先处理。 7. **优先队列** 优先队列允许快速访问具有最高优先级的元素。可以使用二叉堆等数据结构来高效实现。 堆栈和队列是计算机科学中不可或缺的数据结构，它们在算法和程序设计中扮演着核心角色，理解和掌握这些概念对于解决问题至关重要。