数据结构与算法系列6--栈

什么是栈?

1.后进者先出,先进者后出,这就是典型的“栈”结构。
2.从栈的操作特性来看,是一种“操作受限”的线性表,只允许在端插入和删除数据。

什么时候使用?

当某个数据集合只涉及在某端插入和删除数据,且满足后进者先出,先进者后出的操作特性时,我们应该首选栈这种数据结构。

栈的数组实现(自动扩容)

时间复杂度分析:根据均摊复杂度的定义,可以得数组实现(自动扩容)符合大多数情况是O(1)级别复杂度,个别情况是O(n)级别复杂度,比如自动扩容时,会进行完整数据的拷贝。
空间复杂度分析:在入栈和出栈的过程中,只需要一两个临时变量存储空间,所以O(1)级别。
注意: 我们说空间复杂度的时候,是指除了原本的数据存储空间外,算法运行还需要额外的存储空间。
代码实现:

栈的链表实现

时间复杂度分析:压栈和弹栈的时间复杂度均为O(1)级别,因为只需更改单个节点的索引即可。
空间复杂度分析:在入栈和出栈的过程中,只需要一两个临时变量存储空间,所以O(1)级别。我们说空间复杂度的时候,是指除了原本的数据存储空间外,算法运行还需要额外的存储空间。
代码实现:

栈的应用

1.栈在函数调用中的应用
操作系统给每个线程分配了一块独立的内存空间,这块内存被组织成“栈”这种结构,用来存储函数调用时的临时变量。每进入一个函数,就会将其中的临时变量作为栈帧入栈,当被调用函数执行完成,返回之后,将这个函数对应的栈帧出栈。
2.栈在表达式求值中的应用(比如:34+13*9+44-12/3)
利用两个栈,其中一个用来保存操作数,另一个用来保存运算符。我们从左向右遍历表达式,当遇到数字,我们就直接压入操作数栈;当遇到运算符,就与运算符栈的栈顶元素进行比较,若比运算符栈顶元素优先级高,就将当前运算符压入栈,若比运算符栈顶元素的优先级低或者相同,从运算符栈中取出栈顶运算符,从操作数栈顶取出2个操作数,然后进行计算,把计算完的结果压入操作数栈,继续比较。
3.栈在括号匹配中的应用(比如:{}{()})
用栈保存为匹配的左括号,从左到右一次扫描字符串,当扫描到左括号时,则将其压入栈中;当扫描到右括号时,从栈顶取出一个左括号,如果能匹配上,则继续扫描剩下的字符串。如果扫描过程中,遇到不能配对的右括号,或者栈中没有数据,则说明为非法格式。
当所有的括号都扫描完成之后,如果栈为空,则说明字符串为合法格式;否则,说明未匹配的左括号为非法格式。
4.如何实现浏览器的前进后退功能?
我们使用两个栈X和Y,我们把首次浏览的页面依次压如栈X,当点击后退按钮时,再依次从栈X中出栈,并将出栈的数据一次放入Y栈。当点击前进按钮时,我们依次从栈Y中取出数据,放入栈X中。当栈X中没有数据时,说明没有页面可以继续后退浏览了。当Y栈没有数据,那就说明没有页面可以点击前进浏览了。

思考

我们在讲栈的应用时,讲到用函数调用栈来保存临时变量,为什么函数调用要用“栈”来保存临时变量呢?用其他数据结构不行吗?
因为函数调用的执行顺序符合后进者先出,先进者后出的特点。比如函数中的局部变量的生命周期的长短是先定义的生命周期长,后定义的生命周期短;还有函数中调用函数也是这样,先开始执行的函数只有等到内部调用的其他函数执行完毕,该函数才能执行结束。
正是由于函数调用的这些特点,根据数据结构是特定应用场景的抽象的原则,我们优先考虑栈结构。

基于链表实现的栈

'''基于链表实现的栈'''
class Node():
    def __init__(self,data,next=None):
        self.data=data
        self.next=next

class LinkedStack():
    def __init__(self):
        #定义栈顶指针
        self.top=None

    def push(self,data):
        node=Node(data)
        if self.top:
            node.next=self.top
            self.top=node
        else:
            self.top=node

    def pop(self):
        if self.top:
            data=self.top.data
            self.top=self.top.next
            return data
        else:
            return False

    def __repr__(self):
        data=[]
        current=self.top
        while current:
            data.append(current.data)
            current=current.next

        return "->".join(value for value in data)



if __name__=="__main__":
    stack=LinkedStack()
    for i in range(6):
        stack.push(str(i))

    print(stack)
    for i in range(7):
        print("弹出"+str(stack.pop()))
        print(stack)




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