栈和队列的特点与应用场景

栈（Stack）和队列（Queue）是两种常见的线性数据结构，它们在数据存储和访问方式上有显著的不同。理解这两种数据结构的特点以及它们的实际应用场景，对于开发高效算法和系统架构至关重要。

1. 栈（Stack）

栈是一种“后进先出”（LIFO，Last In First Out）的数据结构。栈的操作通常只在一端进行，称为栈顶（top）。元素的插入和删除只能在栈顶进行。

栈的基本操作

push(): 将元素压入栈顶。
pop(): 移除栈顶元素并返回。
peek(): 返回栈顶元素，但不移除。
isEmpty(): 判断栈是否为空。

栈的特点

只允许从栈顶插入和删除元素。
支持快速的访问和删除栈顶元素，常用于递归和撤销操作。

栈的应用场景

函数调用栈
在程序执行过程中，函数调用时会将局部变量和返回地址压入栈中，当函数执行完毕后会从栈中弹出数据。栈能够帮助我们追踪函数调用的顺序和执行状态。
括号匹配
栈用于检测表达式中的括号是否匹配，例如 HTML 标签、数学表达式等。
撤销操作
常见于文本编辑器或图形编辑软件中，每次用户操作时都会将状态压入栈中，当用户点击撤销按钮时，从栈中弹出状态恢复到之前的状态。

栈的代码示例

import java.util.Stack;

public class StackExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个栈
        Stack<String> stack = new Stack<>();
        
        // 压入元素
        stack.push("A");
        stack.push("B");
        stack.push("C");
        
        // 查看栈顶元素
        System.out.println("栈顶元素: " + stack.peek()); // 输出 C
        
        // 弹出元素
        System.out.println("弹出元素: " + stack.pop()); // 输出 C
        
        // 查看栈是否为空
        System.out.println("栈是否为空: " + stack.isEmpty()); // 输出 false
        
        // 弹出剩余元素
        System.out.println("弹出元素: " + stack.pop()); // 输出 B
        System.out.println("弹出元素: " + stack.pop()); // 输出 A
        
        // 查看栈是否为空
        System.out.println("栈是否为空: " + stack.isEmpty()); // 输出 true
    }
}

2. 队列（Queue）

队列是一种“先进先出”（FIFO，First In First Out）的数据结构。队列的操作通常在两端进行，一端进行插入（入队），另一端进行删除（出队）。队列保持元素的顺序，先进入的元素先被删除。

队列的基本操作

enqueue(): 将元素插入队列尾部。
dequeue(): 从队列头部删除并返回元素。
front(): 返回队列头部元素，但不删除。
isEmpty(): 判断队列是否为空。

队列的特点

支持元素的顺序存取，先进先出。
队列的操作效率高，广泛应用于异步数据处理。

队列的应用场景

任务调度
操作系统或应用程序使用队列管理任务，先提交的任务先处理。
消息队列
在分布式系统或多进程环境中，队列可以用于异步传递消息，确保消息按顺序传递和处理。
广度优先搜索（BFS）
在图的遍历中，队列用于实现广度优先搜索算法，确保节点按照层次逐层访问。

队列的代码示例

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class QueueExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个队列
        Queue<String> queue = new LinkedList<>();
        
        // 入队操作
        queue.offer("A");
        queue.offer("B");
        queue.offer("C");
        
        // 查看队头元素
        System.out.println("队头元素: " + queue.peek()); // 输出 A
        
        // 出队操作
        System.out.println("出队元素: " + queue.poll()); // 输出 A
        
        // 查看队列是否为空
        System.out.println("队列是否为空: " + queue.isEmpty()); // 输出 false
        
        // 出队剩余元素
        System.out.println("出队元素: " + queue.poll()); // 输出 B
        System.out.println("出队元素: " + queue.poll()); // 输出 C
        
        // 查看队列是否为空
        System.out.println("队列是否为空: " + queue.isEmpty()); // 输出 true
    }
}