栈与队列是什么

栈和队列是计算机科学中非常基础的数据结构，它们都是线性数据结构，也就是说它们是数据元素的线性集合。它们在计算机科学中的应用非常广泛，在程序设计中尤其常用。本文将从多个角度来分析栈和队列是什么，包括定义、特点、应用、实现、操作等多个方面。

定义

栈(stack)和队列(queue)都是一些元素（数据）的集合，采用特定的存储和操作方式来控制其中元素的存储和访问。它们常用于描述计算机的算法和程序行为。相互之间的区别在于其数据访问顺序的不同。

特点

栈和队列的最主要的特点在于它们的访问策略不同。

栈是后进先出（Last In, First Out，LIFO）的数据集合，元素从顶端添加，从顶端删除。例如，当您把盘子一个一个地堆在一起时，先放的盘子在底部，后放的盘子在顶部。当您取出盘子时，也必须从顶部开始取。栈常被用于后缀表达式、函数调用以及符号匹配等问题。

队列是先进先出（First In, First Out，FIFO）的数据集合，元素从队列的尾端添加，从队列的头部删除。例如，排队买票的队伍，先来的人先买票。队列通常用于同步来自多个流的线程，处理广度优先搜索等问题。

除此之外，栈和队列还具有以下特点：

1. 栈和队列都是数据元素的线性结构，它们通过添加和删除元素来进行动态变化。

2. 栈和队列都具有限制性质，即只允许元素的特定顺序插入和删除。

3. 栈和队列都可以通过多种方式实现，包括顺序存储、链式存储等。

应用

栈和队列是一些应用程序中非常常见的数据结构，例如：

1. 浏览器的历史记录中，栈被用来存储用户纵向移动的网页。

2. 编辑器中的撤销和重做操作通常用栈来实现。

3. 程序执行中函数调用的过程使用栈存储调用过程的程序状态。

4. 操作系统的中断和异常处理通常使用栈来保存处理器现场。

5. 操作系统文件系统中使用队列管理读写请求。

6. 处理广度优先搜索和图遍历等问题时，常使用队列。

实现

栈和队列都可以通过顺序存储方式或链式存储方式来实现。

顺序存储方式是指将元素序列存储在一段连续的存储区中，通过数组等方式实现。顺序存储方式具有随机存取的能力，每个元素占用的存储空间相等，但存储元素数量不易变化。

链式存储方式是将元素存储在任意的存储单元中，通过指针等方式将它们连接起来。链式存储方式具有灵活性，可以动态调整存储元素的数量，但相较于顺序存储方式，访问元素效率较低。

操作

栈和队列都有一些基本操作，例如：

1. 入栈/入队：将一个元素放入栈/队列的顶部/尾端。

2. 出栈/出队：移除并返回栈/队列的顶部/头部元素。

3. 取栈顶/队头元素：返回但不移除栈顶/队列的头部元素。

4. 判空和判满：检查栈/队列是否为空或已满。

结语

栈和队列是计算机科学中非常基础的数据结构，具有较广泛的应用。它们的区别在于它们的访问顺序。除此之外，栈和队列还可以实现多种方式，包括顺序存储和链式存储。在程序设计中，栈和队列也有许多基本操作，可以用于处理各种数据结构。