1、栈的基本概念
栈(英语:stack)又称为堆栈或堆叠,栈作为一种数据结构,是一种只能在一端进行插入和删除操作的特殊线性表。它按照先进后出的原则存储数据,先进入的数据被压入栈底,最后的数据在栈顶,需要读数据的时候从栈顶开始弹出数据(最后一个数据被第一个读出来)。栈具有记忆作用,对栈的插入与删除操作中,不需要改变栈底指针。
栈是允许在同一端进行插入和删除操作的特殊线性表。允许进行插入和删除操作的一端称为栈顶(top),另一端为栈底(bottom);栈底固定,而栈顶浮动;栈中元素个数为零时称为空栈。插入一般称为进栈(PUSH),删除则称为退栈(POP)。
由于堆叠数据结构只允许在一端进行操作,因而按照后进先出(LIFO, Last In First Out)的原理运作。栈也称为后进先出表。
2、Java模拟简单的顺序栈实现
public class MyStack { private int[] array; private int maxSize; private int top; public MyStack(int size) { this.maxSize = size; array = new int[size]; top = -1; } // 压入数据 public void push(int value) { if (top < maxSize - 1) { array[++top] = value; } } // 弹出栈顶数据 public int pop() { return array[top--]; } // 访问栈顶数据 public int peek() { return array[top]; } // 判断栈是否为空 public boolean isEmpty() { return (top == -1); } // 判断栈是否满了 public boolean isFull() { return (top == maxSize - 1); } } import com.ys.datastructure.MyStack; public class MyStackTest { public static void main(String[] args) { MyStack stack = new MyStack(3); stack.push(1); stack.push(2); stack.push(3); System.out.println(stack.peek()); while (!stack.isEmpty()) { System.out.println(stack.pop()); } } }
这个栈是用数组实现的,内部定义了一个数组,一个表示最大容量的值以及一个指向栈顶元素的top变量。构造方法根据参数规定的容量创建一个新栈,push()方法是向栈中压入元素,指向栈顶的变量top加一,使它指向原顶端数据项上面的一个位置,并在这个位置上存储一个数据。pop()方法返回top变量指向的元素,然后将top变量减一,便移除了数据项。要知道 top 变量指向的始终是栈顶的元素。
产生的问题:
①、上面栈的实现初始化容量之后,后面是不能进行扩容的(虽然栈不是用来存储大量数据的),如果说后期数据量超过初始容量之后怎么办?(自动扩容)
②、我们是用数组实现栈,在定义数组类型的时候,也就规定了存储在栈中的数据类型,那么同一个栈能不能存储不同类型的数据呢?(声明为Object)
③、栈需要初始化容量,而且数组实现的栈元素都是连续存储的,那么能不能不初始化容量呢?(改为由链表实现)
3、增强功能版栈
对于上面出现的问题,第一个能自动扩容,第二个能存储各种不同类型的数据,解决办法如下:(第三个在讲链表的时候在介绍)
这个模拟的栈在JDK源码中,大家可以参考 Stack 类的实现。
import java.util.Arrays; import java.util.EmptyStackException; public class ArrayStack { // 存储元素的数组,声明为Object类型能存储任意类型的数据 private Object[] elementData; // 指向栈顶的指针 private int top; // 栈的总容量 private int size; // 默认构造一个容量为10的栈 public ArrayStack() { this.elementData = new Object[10]; this.top = -1; this.size = 10; } public ArrayStack(int initialCapacity) { if (initialCapacity < 0) { throw new IllegalArgumentException("栈初始容量不能小于0: " + initialCapacity); } this.elementData = new Object[initialCapacity]; this.top = -1; this.size = initialCapacity; } // 压入元素 public Object push(Object item) { // 是否需要扩容 isGrow(top + 1); elementData[++top] = item; return item; } // 弹出栈顶元素 public Object pop() { Object obj = peek(); remove(top); return obj; } // 获取栈顶元素 public Object peek() { if (top == -1) { throw new EmptyStackException(); } return elementData[top]; } // 判断栈是否为空 public boolean isEmpty() { return (top == -1); } // 删除栈顶元素 public void remove(int top) { // 栈顶元素置为null elementData[top] = null; this.top--; } /** * 是否需要扩容,如果需要,则扩大一倍并返回true,不需要则返回false * * @param minCapacity * @return */ public boolean isGrow(int minCapacity) { int oldCapacity = size; // 如果当前元素压入栈之后总容量大于前面定义的容量,则需要扩容 if (minCapacity >= oldCapacity) { // 定义扩大之后栈的总容量 int newCapacity = 0; // 栈容量扩大两倍(左移一位)看是否超过int类型所表示的最大范围 if ((oldCapacity << 1) - Integer.MAX_VALUE > 0) { newCapacity = Integer.MAX_VALUE; } else { newCapacity = (oldCapacity << 1);// 左移一位,相当于*2 } this.size = newCapacity; int[] newArray = new int[size]; elementData = Arrays.copyOf(elementData, size); return true; } else { return false; } } } //测试自定义栈类 ArrayStack //创建容量为3的栈,然后添加4个元素,3个int,1个String. @Test public void testArrayStack(){ ArrayStack stack = new ArrayStack(3); stack.push(1); //System.out.println(stack.peek()); stack.push(2); stack.push(3); stack.push("abc"); System.out.println(stack.peek()); stack.pop(); stack.pop(); stack.pop(); System.out.println(stack.peek()); }
4、利用栈实现字符串逆序
我们知道栈是后进先出,我们可以将一个字符串分隔为单个的字符,然后将字符一个一个push()进栈,在一个一个pop()出栈就是逆序显示了。如下:
将字符串“how are you” 反转!!!
//进行字符串反转 @Test public void testStringReversal(){ ArrayStack stack = new ArrayStack(); String str = "how are you"; char[] cha = str.toCharArray(); for(char c : cha){ stack.push(c); } while(!stack.isEmpty()){ System.out.print(stack.pop()); } }
5、利用栈判断分隔符是否匹配
写过xml标签或者html标签的,我们都知道<必须和最近的>进行匹配,[ 也必须和最近的 ] 进行匹配。
比如:<abc[123]abc>这是符号相匹配的,如果是 <abc[123>abc] 那就是不匹配的。
对于 12<a[b{c}]>,我们分析在栈中的数据:遇到匹配正确的就消除
最后栈中的内容为空则匹配成功,否则匹配失败!!!
//分隔符匹配 //遇到左边分隔符了就push进栈,遇到右边分隔符了就pop出栈,看出栈的分隔符是否和这个有分隔符匹配 @Test public void testMatch(){ ArrayStack stack = new ArrayStack(3); String str = "12<a[b{c}]>"; char[] cha = str.toCharArray(); for(char c : cha){ switch (c) { case '{': case '[': case '<': stack.push(c); break; case '}': case ']': case '>': if(!stack.isEmpty()){ char ch = stack.pop().toString().toCharArray()[0]; if(c=='}' && ch != '{' || c==']' && ch != '[' || c==')' && ch != '('){ System.out.println("Error:"+ch+"-"+c); } } break; default: break; } } }