程序员修炼之路-(2)线性表(下)：栈、队列

2 基础数据结构

数组和链表是实现各种数据结构的基石，本节中的三种最基本的数据结构都可以用数组或者链表来实现。

2.1 栈

用数组实现“栈”非常简单。下面以C++为例，实现一个简单的固定大小的“栈”。

首先，接口API定义如下，核心函数就是push()和pop()：

2.1.1 数组实现

下面用数组方式的实现“栈”，当然也可以用链表实现数组，但是一般尽管栈会处理很多操作，但任意时刻保存在栈中的元素不会很多，所以使用数组实现比链表会更加高效：

Loitering问题

要特别注意的是：当我们实现数据结构，自己管理一块内存区域（如一直持有数组或链表做成员变量）时，一定要注意内存泄漏，或称Loitering问题。如上面的栈实现，push()和pop()只是移动变量N，但当数组中保存的是对象时，pop()就会造成数组依然持有无用对象的引用或指针。因此，《算法》中的pop()实现考虑到了这一点，并加入了resize()功能。

动态调整大小

上面的代码同时也实现了resize()功能，当栈的大小等于总容量（push时检测），或者栈的大小等于总容量的1/4时，栈底层的数组就会扩张或者收缩一倍，这样总能保持数组有一半的空闲空间。方法很简单，就是新建一个数组，将旧元素拷贝过去。

当然，实际上JDK的ArrayList设计要比这复杂，JDK 6的实现是oldCapacity*3/2+1。值得注意的是remove()时并不会收缩数组。JDK的Stack是基于Vector，实现类似，但需要在构造方法中提供一个参数capacityIncrement显式指定增长多少。

2.2.2 链表实现

值得注意的是：用链表实现时，因为不会一直持有一块内存空间，所以既不需要动态调整大小避免空间不足或浪费，也不用考虑loitering问题。直接操作目标结点，删除时释放结点的空间（C++）或直接交给GC（Java）。

2.2.3 迭代

除了数据结构提供的基本操作函数，有时我们经常要逐个遍历处理所有元素。这时，迭代器就是一种非常强大的工具，它可以将客户端从数据结构底层的具体实现抽离出来。《STL源码解析》一语道破天机：STL的中心思想在于，将算法与数据结构分离，彼此独立设计，最后用迭代器这个粘合剂将它们撮合到一起。不仅是Java（对迭代器的支持就很好，JDK本身就提供了Iterable和Iterator接口，实现后可以自动集成foreach进行遍历），在C++中迭代器在STL中的地位更高：

2.2 队列

队列用链表实现非常简单，这里介绍一下如何用数组实现。因为“栈”是从一端进出的，所以N到达数组尾部时就意味着“栈”满了需要resize。然而队列是从两堆进出的，即使到达数组尾部了，数组头部仍然可能有出队产生的空闲空间，这样我们可以用“回绕”解决这个问题。

2.2.1 数组实现

除了使用first和last两个下标标记外，一定要保存当前大小，否则仅仅从first和last的位置是很难判断队列是空的还是满的。

2.2.2 Ring Buffer

在《LMAX高并发系统架构》中，高并发框架Disruptors使用Ring Buffer保存缓冲的数据。Ring Buffer与数组实现的队列的区别是：没有尾指针，从不会出队，入队操作会覆盖已有数据。因为入队会覆盖元素，所以要靠生产者和消费者自己控制速度，避免未处理的元素被覆盖。