Java数据结构和算法（四）——栈
前面我們講解了數組，數組更多的是用來進行數據的存儲，純粹用來存儲數據的數據結構，我們期望的是插入、刪除和查找性能都比較好。對于無序數組，插入快，但是刪除和查找都很慢，為了解決這些問題，后面我們會講解比如二叉樹、哈希表的數據結構。
而本篇博客講解的數據結構和算法更多是用作程序員的工具，它們作為構思算法的輔助工具，而不是完全的數據存儲工具。這些數據結構的生命周期比數據庫類型的結構要短得多，在程序執行期間它們才被創建，通常用它們去執行某項特殊的業務，執行完成之后，它們就被銷毀。這里的它們就是——棧和隊列。本篇博客我們先介紹棧。
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1、棧的基本概念
棧（英語：stack）又稱為堆棧或堆疊，棧作為一種數據結構，是一種只能在一端進行插入和刪除操作的特殊線性表。它按照先進后出的原則存儲數據，先進入的數據被壓入棧底，最后的數據在棧頂，需要讀數據的時候從棧頂開始彈出數據（最后一個數據被第一個讀出來）。棧具有記憶作用，對棧的插入與刪除操作中，不需要改變棧底指針。
棧是允許在同一端進行插入和刪除操作的特殊線性表。允許進行插入和刪除操作的一端稱為棧頂(top)，另一端為棧底(bottom)；棧底固定，而棧頂浮動；棧中元素個數為零時稱為空棧。插入一般稱為進棧（PUSH），刪除則稱為退棧（POP）。
由于堆疊數據結構只允許在一端進行操作，因而按照后進先出（LIFO, Last In First Out）的原理運作。棧也稱為后進先出表。
這里以羽毛球筒為例，羽毛球筒就是一個棧，剛開始羽毛球筒是空的，也就是空棧，然后我們一個一個放入羽毛球，也就是一個一個push進棧，當我們需要使用羽毛球的時候，從筒里面拿，也就是pop出棧，但是第一個拿到的羽毛球是我們最后放進去的。
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2、Java模擬簡單的順序棧實現
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測試：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | package?com.ys.test; ? 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()); ????????} ????????? ????} ? } |
結果：
這個棧是用數組實現的，內部定義了一個數組，一個表示最大容量的值以及一個指向棧頂元素的top變量。構造方法根據參數規定的容量創建一個新棧，push()方法是向棧中壓入元素，指向棧頂的變量top加一，使它指向原頂端數據項上面的一個位置，并在這個位置上存儲一個數據。pop()方法返回top變量指向的元素，然后將top變量減一，便移除了數據項。要知道 top 變量指向的始終是棧頂的元素。
產生的問題：
①、上面棧的實現初始化容量之后，后面是不能進行擴容的（雖然棧不是用來存儲大量數據的），如果說后期數據量超過初始容量之后怎么辦？（自動擴容）
②、我們是用數組實現棧，在定義數組類型的時候，也就規定了存儲在棧中的數據類型，那么同一個棧能不能存儲不同類型的數據呢？（聲明為Object）
③、棧需要初始化容量，而且數組實現的棧元素都是連續存儲的，那么能不能不初始化容量呢？（改為由鏈表實現）
?
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3、增強功能版棧
對于上面出現的問題，第一個能自動擴容，第二個能存儲各種不同類型的數據，解決辦法如下：（第三個在講鏈表的時候在介紹）
這個模擬的棧在JDK源碼中，大家可以參考 Stack 類的實現。
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測試：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | //測試自定義棧類 ArrayStack //創建容量為3的棧，然后添加4個元素，3個int，1個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()); } |
結果：
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4、利用棧實現字符串逆序
我們知道棧是后進先出，我們可以將一個字符串分隔為單個的字符，然后將字符一個一個push()進棧，在一個一個pop()出棧就是逆序顯示了。如下：
將 字符串“how are you” 反轉！！！
ps：這里我們是用上面自定的棧來實現的，大家可以將ArrayStack替換為JDK自帶的棧類Stack試試
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | //進行字符串反轉 @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()); ????} } |
結果：
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5、利用棧判斷分隔符是否匹配 ?
寫過xml標簽或者html標簽的，我們都知道<必須和最近的>進行匹配，[ 也必須和最近的 ] 進行匹配。
比如：<abc[123]abc>這是符號相匹配的，如果是 <abc[123>abc] 那就是不匹配的。
對于 12<a[b{c}]>，我們分析在棧中的數據：遇到匹配正確的就消除
最后棧中的內容為空則匹配成功，否則匹配失敗！！！
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 | //分隔符匹配 //遇到左邊分隔符了就push進棧，遇到右邊分隔符了就pop出棧，看出棧的分隔符是否和這個有分隔符匹配 @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; ????????} ????} } |
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6、總結
根據棧后進先出的特性，我們實現了單詞逆序以及分隔符匹配。所以其實棧是一個概念上的工具，具體能實現什么功能可以由我們去想象。棧通過提供限制性的訪問方法push()和pop()，使得程序不容易出錯。
對于棧的實現，我們稍微分析就知道，數據入棧和出棧的時間復雜度都為O(1)，也就是說棧操作所耗的時間不依賴棧中數據項的個數，因此操作時間很短。而且需要注意的是棧不需要比較和移動操作，我們不要畫蛇添足。
作者：YSOcean
出處：http://www.cnblogs.com/ysocean/
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java数据结构和算法（四）——栈的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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