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在 LeetCode 上不知不覺已經(jīng)刷了 210+ 題，總提交次數(shù) 1000+ 次，從這篇文章開始，每篇算法類型的文章，將會做成動畫的形式，每篇文章都會用 Java 和 kotlin 去實(shí)現(xiàn)，并且每道題目都有解題思路、時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度和源代碼，更多內(nèi)容點(diǎn)擊下方鏈接前去查看。

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通過這篇文章你將學(xué)習(xí)到以下內(nèi)容：

• 棧的定義
• 棧的實(shí)現(xiàn)
  • 為什么不推薦使用 Java 棧
    • 性能低
    • 破壞了原有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  • 不推薦使用了，為什么現(xiàn)在還在用
  • 為什么推薦使用 Deque 接口替換棧
    • 效率比 Java ?？?/li>
    • 屏蔽掉無關(guān)的方法
  • Stack 和 ArrayDeque 區(qū)別
  • 棧的時間復(fù)雜度
• 棧的應(yīng)用：有效的括號

棧的定義

棧是 后入先出（LIFO） 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，入棧通常使用 push 操作，往棧中插入數(shù)據(jù)到棧底，出棧使用 pop 操作，從棧頂刪除數(shù)據(jù)。入棧和出棧操作動畫如下所示。

棧的實(shí)現(xiàn)

棧常用的實(shí)現(xiàn)方式是通過動態(tài)數(shù)組來實(shí)現(xiàn)的，在 Java 和 Kotlin 中也內(nèi)置了棧庫 Stack，但是 Stack 已經(jīng)不推薦使用了。

為什么不推薦使用

• 性能低

性能低是因?yàn)?Stack 繼承自 Vector， 而 Vector 在每個方法中都加了鎖，如下所示：

...... public synchronized void trimToSize() { }public synchronized void ensureCapacity(int minCapacity) { }public synchronized void setSize(int newSize) { }public synchronized int capacity() { }public synchronized int size() { }public synchronized boolean isEmpty() { } ......

由于需要兼容老的項(xiàng)目，很難在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，因此 Vector 就被淘汰掉了，使用 ArrayList 和 CopyOnWriteArrayList 來代替，如果在非線程安全的情況下可以使用 ArrayList，線程安全的情況下可以使用 CopyOnWriteArrayList 。

• 破壞了原有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

棧的定義是在一端進(jìn)行 push 和 pop 操作，除此之外不應(yīng)該包含其他 入棧和出棧 的方法，但是 Stack 繼承自 Vector，使得 Stack 可以使用父類 Vector 公有的方法，如下所示。

val stack = Stack<Int>() stack.push(6) stack.add(1,10) stack.removeAt(1) stack.pop() stack.addAll(arrayListOf()) ......

正如你所見，除了調(diào)用 push() 和 pop() 方法之外，還可以調(diào)用 addXXX() 、 removeXXX() 等等方法，但是這樣會破壞棧原有的結(jié)構(gòu)。所以對于棧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不應(yīng)該有可以在任何位置添加或者刪除元素的能力。

為什么現(xiàn)在還在用

但是為什么在實(shí)際項(xiàng)目中還有很多小伙伴在使用 Stack。如果你經(jīng)常刷 LeetCode 應(yīng)該會見到很多小伙伴使用 Stack 做相關(guān)的算法題?？偨Y(jié)了一下主要有兩個原因。

• JDK 官方是不推薦使用 Stack，之所以還有很多人在使用，是因?yàn)?JDK 并沒有加 deprecation 注解，只是在文檔和注釋中聲明不建議使用，但是很少有人會去關(guān)注其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
• 在做算法題的時候，關(guān)注點(diǎn)在解決問題的算法邏輯思路上，并不會關(guān)注在不同語言下 Stack 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，但是對于使用 Java 語言的開發(fā)者，不僅需要關(guān)注算法邏輯本身，也需要關(guān)注它的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

為什么推薦使用 Deque 接口替換棧

如果 JDK 不推薦使用 Stack，那應(yīng)該使用什么集合類來替換棧，一起看看官方的文檔。

正如圖中標(biāo)注部分所示，棧的相關(guān)操作應(yīng)該由 Deque 接口來提供，推薦使用 Deque 這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 以及它的子類，例如 ArrayDeque。

val stack: Deque<Int> = ArrayDeque()

使用 Deque 接口來實(shí)現(xiàn)棧的功能有什么好處：

• 速度比 Stack 快

這個類作為棧使用時可能比 Stack 快，作為隊列使用時可能比 LinkedList 快。因?yàn)樵瓉淼?Java 的 Stack 繼承自 Vector，而 Vector 在每個方法中都加了鎖，而 Deque 的子類 ArrayDeque 并沒有鎖的開銷。

• 屏蔽掉無關(guān)的方法

原來的 Java 的 Stack，包含了在任何位置添加或者刪除元素的方法，這些不是棧應(yīng)該有的方法，所以需要屏蔽掉這些無關(guān)的方法。

聲明為 Deque 接口可以解決這個問題，在接口中聲明棧需要用到的方法，無需管子類是如何是實(shí)現(xiàn)的，對于上層使用者來說，只可以調(diào)用和棧相關(guān)的方法。

Stack 和 ArrayDeque 區(qū)別如下所示。

集合類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否線程安全

Stack	數(shù)組	是
ArrayDeque	數(shù)組	否

Stack 常用的方法如下所示。

操作方法

入棧	push(E item)
出棧	pop()
查看棧頂	peek() 為空時返回 null

ArrayDeque 常用的方法如下所示。

操作方法

入棧	push(E item)
出棧	poll() 棧為空時返回 null pop() 棧為空時會拋出異常
查看棧頂	peek() 為空時返回 null

棧的時間復(fù)雜度

棧的核心實(shí)現(xiàn)是通過動態(tài)數(shù)組來實(shí)現(xiàn)的，所以在擴(kuò)容的時候，時間復(fù)雜度為 O(n)，其他操作例如 push(E item) 和 pop() 、 peek() 等等時間復(fù)雜度為 O(1)。

棧的應(yīng)用：有效的括號

題解已收藏于 https://github.com/hi-dhl/Leetcode-Solutions-with-Java-And-Kotlin。每道題目都會用 Java 和 kotlin 去實(shí)現(xiàn)，并且每道題目都有解題思路、時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度和源代碼，

題目描述

給定一個字符串, 只包括 ‘(’，’)’，’{’，’}’，’[’，’]’，判斷字符串是否有效

有效字符串需要滿足以下條件：

• 左括號必須用相同類型的右括號閉合
• 左括號必須以正確的順序閉合

注意空字符串可被認(rèn)為是有效字符串。

Example 1:Input: "()"Output: trueExample 2:Input: "()[]{}"Output: trueExample 3:Input: "(]"Output: falseExample 4:Input: "([)]"Output: falseExample 5:Input: "{[]}"Output: true

算法流程

如果遇到左括號，將對應(yīng)的右括號壓入棧中

如果遇到右括號

• 判斷當(dāng)前棧是否為空
• 如果不為空，判斷當(dāng)前元素是否和棧頂元素相等
• 如果不相等，發(fā)現(xiàn)了不符合的括號，提前返回 false，結(jié)束循環(huán)

重復(fù)執(zhí)行「步驟 1」 和「步驟 2」

循環(huán)結(jié)束之后，通過判斷棧是否為空，來檢查是否是有效的括號

復(fù)雜度分析

假設(shè)字符串的長度為 N 則：

• 時間復(fù)雜度：O(N)。正確有效的括號需要遍歷了一次字符串，所需要的時間復(fù)雜度為 O(N)。
• 空間復(fù)雜度：O(N)。如果輸入字符串全是左括號，例如 (((((((，棧的大小即為輸入字符串的長度，所需要的空間復(fù)雜度為 O(N)

Kotlin 實(shí)現(xiàn)

class Solution {fun isValid(s: String): Boolean {val stack = ArrayDeque<Char>()// 開始遍歷字符串for (c in s) {when (c) {// 遇到左括號，將對應(yīng)的右括號壓入棧中'(' -> stack.push(')')'[' -> stack.push(']')'{' -> stack.push('}')else -> {// 遇到右括號，判斷當(dāng)前元素是否和棧頂元素相等，不相等提前返回，結(jié)束循環(huán)if (stack.isEmpty() || stack.poll() != c) {return false}}}}// 通過判斷棧是否為空，來檢查是否是有效的括號return stack.isEmpty()} }

Java 實(shí)現(xiàn)

class Solution {public boolean isValid(String s) {Deque<Character> stack = new ArrayDeque<Character>();// 開始遍歷字符串for (int i = 0; i < s.length(); i++) {char c = s.charAt(i);// 遇到左括號，則將其對應(yīng)的右括號壓入棧中if (c == '(') {stack.push(')');} else if (c == '[') {stack.push(']');} else if (c == '{') {stack.push('}');} else {// 遇到右括號，判斷當(dāng)前元素是否和棧頂元素相等，不相等提前返回，結(jié)束循環(huán)if (stack.isEmpty() || stack.poll() != c) {return false;}}}// 通過判斷棧是否為空，來檢查是否是有效的括號return stack.isEmpty();} }

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總結(jié)

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