《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧和隊(duì)列》課件

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧和隊(duì)列》PPT課件引言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概述棧（Stack）隊(duì)列（Queue）棧與隊(duì)列的比較案例分析總結(jié)與展望引言010102課程背景隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)處理、算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)等方面具有越來越重要的應(yīng)用價(jià)值。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)學(xué)生算法設(shè)計(jì)和分析能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。掌握棧和隊(duì)列的基本概念、原理和應(yīng)用場(chǎng)景；理解棧和隊(duì)列在解決實(shí)際問題中的作用和優(yōu)勢(shì)；能夠運(yùn)用棧和隊(duì)列解決實(shí)際問題和算法設(shè)計(jì)。課程目標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概述02數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)元素之間相互關(guān)系和數(shù)據(jù)元素屬性的抽象表示。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系和數(shù)據(jù)元素的屬性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如數(shù)組、鏈表、棧、隊(duì)列等）和非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如樹、圖等）。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義包括數(shù)組、鏈表、棧和隊(duì)列等，它們按照一定的順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)元素，具有順序訪問的特點(diǎn)。線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如樹、圖等，它們的數(shù)據(jù)元素之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系，訪問方式也較為靈活。非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適用于不同的數(shù)據(jù)處理需求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)算法的實(shí)現(xiàn)需要借助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以提高算法的效率和正確性。算法實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要使用各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織和管理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在軟件開發(fā)中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各種功能模塊的基礎(chǔ)，如排序、查找等常用功能都需要使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。軟件開發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中的應(yīng)用棧（Stack）03棧的定義01棧是一種特殊的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，遵循后進(jìn)先出（LIFO）原則。02棧只允許在固定的一端（稱為棧頂）進(jìn)行插入和刪除操作。棧通常用數(shù)組或鏈表來實(shí)現(xiàn)。03010203棧具有后進(jìn)先出（LIFO）的特性，即最后進(jìn)入棧的元素將最先被彈出。棧是先進(jìn)后出（FILO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。棧的大小在創(chuàng)建時(shí)確定，并在整個(gè)生命周期內(nèi)保持不變。棧的性質(zhì)使用數(shù)組作為存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過維護(hù)一個(gè)指向棧頂元素的指針來實(shí)現(xiàn)插入和刪除操作。使用鏈表作為存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過維護(hù)一個(gè)指向棧頂節(jié)點(diǎn)的指針來實(shí)現(xiàn)插入和刪除操作。棧的實(shí)現(xiàn)方式鏈表實(shí)現(xiàn)數(shù)組實(shí)現(xiàn)后進(jìn)先出（LIFO）的場(chǎng)景：如括號(hào)匹配、函數(shù)調(diào)用堆棧等。表達(dá)式求值：例如，括號(hào)內(nèi)的運(yùn)算優(yōu)先級(jí)高于括號(hào)外的運(yùn)算，可以使用棧來保存括號(hào)和運(yùn)算符，以便正確地計(jì)算表達(dá)式的值。深度優(yōu)先搜索（DFS）：在圖的遍歷中，可以使用棧來保存待訪問的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)深度優(yōu)先搜索。棧的應(yīng)用場(chǎng)景隊(duì)列（Queue）0403隊(duì)列只允許在隊(duì)尾進(jìn)行插入操作（入隊(duì)），而在隊(duì)頭進(jìn)行刪除操作（出隊(duì)）。01隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)元素的集合。02隊(duì)列中的元素遵循先入隊(duì)后出隊(duì)的規(guī)則，即最早進(jìn)入隊(duì)列的元素將最先被移除。隊(duì)列的定義隊(duì)列具有線性結(jié)構(gòu)的特性，遵循先進(jìn)先出的原則。隊(duì)列中的元素只能從一端（隊(duì)尾）添加，從另一端（隊(duì)頭）刪除。隊(duì)列是一種特殊的線性表，只允許在表的一端進(jìn)行插入操作，另一端進(jìn)行刪除操作。隊(duì)列的性質(zhì)數(shù)組實(shí)現(xiàn)使用數(shù)組作為存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過維護(hù)兩個(gè)指針（隊(duì)頭指針和隊(duì)尾指針）來指示隊(duì)列的狀態(tài)。鏈表實(shí)現(xiàn)使用鏈表作為存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)和指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針。循環(huán)隊(duì)列在數(shù)組實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)隊(duì)尾指針達(dá)到數(shù)組的末尾時(shí)，將其循環(huán)回到數(shù)組的開頭，形成一個(gè)循環(huán)隊(duì)列。隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方式在操作系統(tǒng)中，任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)入隊(duì)列，系統(tǒng)按照隊(duì)列的先進(jìn)先出原則進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。任務(wù)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)通信打印任務(wù)管理在網(wǎng)絡(luò)通信中，數(shù)據(jù)包按照到達(dá)順序進(jìn)入隊(duì)列，等待處理。打印任務(wù)按照到達(dá)順序進(jìn)入隊(duì)列，等待打印機(jī)的空閑時(shí)間進(jìn)行處理。030201隊(duì)列的應(yīng)用場(chǎng)景棧與隊(duì)列的比較05棧和隊(duì)列是兩種不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上有明顯的區(qū)別。棧是一種后進(jìn)先出（LIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只允許在一段進(jìn)行插入和刪除操作。隊(duì)列則是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只允許在一端進(jìn)行插入操作，而在另一端進(jìn)行刪除操作。結(jié)構(gòu)比較棧和隊(duì)列的操作方式也有所不同。棧的主要操作有push（入棧）和pop（出棧），而隊(duì)列的主要操作有enqueue（入隊(duì)）和dequeue（出隊(duì)）。在棧中，后進(jìn)入的元素會(huì)先被彈出，而在隊(duì)列中，先進(jìn)入的元素會(huì)先被移除。操作比較棧和隊(duì)列的應(yīng)用場(chǎng)景也有所不同。棧在實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用、深度優(yōu)先搜索、括號(hào)匹配等問題中經(jīng)常被使用。而隊(duì)列在實(shí)現(xiàn)打印機(jī)的打印任務(wù)調(diào)度、CPU的任務(wù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)流量控制等問題中經(jīng)常被使用。應(yīng)用場(chǎng)景比較案例分析06使用棧解決括號(hào)匹配問題棧是一種后進(jìn)先出（LIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用來解決括號(hào)匹配問題。當(dāng)遇到左括號(hào)時(shí)，將其壓入棧中；當(dāng)遇到右括號(hào)時(shí)，從棧頂取出一個(gè)元素進(jìn)行匹配。如果匹配成功，繼續(xù)處理；否則，說明括號(hào)不匹配。使用棧實(shí)現(xiàn)表達(dá)式求值表達(dá)式求值是棧的一個(gè)典型應(yīng)用。通過使用兩個(gè)棧，一個(gè)用于存儲(chǔ)操作數(shù)，另一個(gè)用于存儲(chǔ)運(yùn)算符。從左到右依次讀入表達(dá)式中的字符，如果是操作數(shù)則壓入操作數(shù)棧，如果是運(yùn)算符則與操作數(shù)棧中的元素進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果壓入操作數(shù)棧。最終，操作數(shù)棧中剩下的元素即為表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果。使用棧解決經(jīng)典問題隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用來解決打印機(jī)的打印任務(wù)調(diào)度問題。當(dāng)有新的打印任務(wù)到達(dá)時(shí)，將其加入隊(duì)列的尾部；打印機(jī)從隊(duì)列頭部取出一個(gè)任務(wù)進(jìn)行打印。通過這種方式，先到達(dá)的任務(wù)會(huì)先被打印，保證了打印任務(wù)的公平性。使用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)打印機(jī)的打印任務(wù)調(diào)度寬度優(yōu)先搜索是一種圖遍歷算法，使用隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)。首先將起始節(jié)點(diǎn)加入隊(duì)列中，然后進(jìn)入循環(huán)：從隊(duì)列頭部取出一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問，并將其子節(jié)點(diǎn)加入隊(duì)列的尾部。重復(fù)此過程直到隊(duì)列為空，遍歷完成。使用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)寬度優(yōu)先搜索使用隊(duì)列解決經(jīng)典問題總結(jié)與展望07本章總結(jié)棧和隊(duì)列是兩種常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有特定的操作規(guī)則和特性。通過學(xué)習(xí)棧和隊(duì)列，我們掌握了先進(jìn)先出（FIFO）和后進(jìn)先出（LIFO）的原理，以及如何在程序中實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本章還介紹了棧和隊(duì)列在實(shí)際問題中的應(yīng)用，如括號(hào)匹配、表達(dá)式求值等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)與未來展望0