Java数据结构和算法（四）——栈

时间  2019-11-19
标签 java 数据 结构 算法 栏目 Java 繁體版
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　　前面咱们讲解了数组，数组更多的是用来进行数据的存储，纯粹用来存储数据的数据结构，咱们指望的是插入、删除和查找性能都比较好。对于无序数组，插入快，可是删除和查找都很慢，为了解决这些问题，后面咱们会讲解好比二叉树、哈希表的数据结构。html

　　而本篇博客讲解的数据结构和算法更可能是用做程序员的工具，它们做为构思算法的辅助工具，而不是彻底的数据存储工具。这些数据结构的生命周期比数据库类型的结构要短得多，在程序执行期间它们才被建立，一般用它们去执行某项特殊的业务，执行完成以后，它们就被销毁。这里的它们就是——栈和队列。本篇博客咱们先介绍栈。java

一、栈的基本概念

　　栈（英语：stack）又称为堆栈或堆叠，栈做为一种数据结构，是一种只能在一端进行插入和删除操做的特殊线性表。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，须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）。栈具备记忆做用，对栈的插入与删除操做中，不须要改变栈底指针。程序员

　　栈是容许在同一端进行插入和删除操做的特殊线性表。容许进行插入和删除操做的一端称为栈顶(top)，另外一端为栈底(bottom)；栈底固定，而栈顶浮动；栈中元素个数为零时称为空栈。插入通常称为进栈（PUSH），删除则称为退栈（POP）。算法

　　因为堆叠数据结构只容许在一端进行操做，于是按照后进先出（LIFO, Last In First Out）的原理运做。栈也称为后进先出表。数据库

　　这里以羽毛球筒为例，羽毛球筒就是一个栈，刚开始羽毛球筒是空的，也就是空栈，而后咱们一个一个放入羽毛球，也就是一个一个push进栈，当咱们须要使用羽毛球的时候，从筒里面拿，也就是pop出栈，可是第一个拿到的羽毛球是咱们最后放进去的。数组

二、Java模拟简单的顺序栈实现

　　

package com.ys.datastructure;

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);
	}
	

}

　　

　　测试：数据结构

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());
		}
		
	}

}

　　结果：数据结构和算法

　　

　　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建立一个新栈，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，而后将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。工具

　　产生的问题：性能

　　①、上面栈的实现初始化容量以后，后面是不能进行扩容的（虽然栈不是用来存储大量数据的），若是说后期数据量超过初始容量以后怎么办？（自动扩容）

　　②、咱们是用数组实现栈，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一样类型的数据呢？（声明为Object）

　　③、栈须要初始化容量，并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？（改成由链表实现）

 

三、加强功能版栈

　　对于上面出现的问题，第一个能自动扩容，第二个能存储各类不一样类型的数据，解决办法以下：（第三个在讲链表的时候在介绍）

　　这个模拟的栈在JDK源码中，你们能够参考 Stack 类的实现。

　　

package com.ys.datastructure;

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){
		//是否须要扩容
		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--;
	}
	
	/**
	 * 是否须要扩容，若是须要，则扩大一倍并返回true，不须要则返回false
	 * @param minCapacity
	 * @return
	 */
	public boolean isGrow(int minCapacity){
		int oldCapacity = size;
		//若是当前元素压入栈以后总容量大于前面定义的容量，则须要扩容
		if(minCapacity >= oldCapacity){
			//定义扩大以后栈的总容量
			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，至关于*2
			}
			this.size = newCapacity;
			int[] newArray = new int[size];
			elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
			return true;
		}else{
			return false;
		}
	}
	
	

}

　　测试：

//测试自定义栈类 ArrayStack
//建立容量为3的栈，而后添加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());
}

　　结果：

　　

四、利用栈实现字符串逆序

　　咱们知道栈是后进先出，咱们能够将一个字符串分隔为单个的字符，而后将字符一个一个push()进栈，在一个一个pop()出栈就是逆序显示了。以下：

　　将 字符串“how are you” 反转！！！

　　ps：这里咱们是用上面自定的栈来实现的，你们能够将ArrayStack替换为JDK自带的栈类Stack试试

//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());
	}
}

　　结果：

　　

五、利用栈判断分隔符是否匹配　　 

　　写过xml标签或者html标签的，咱们都知道<必须和最近的>进行匹配，[ 也必须和最近的 ] 进行匹配。

　　好比：<abc[123]abc>这是符号相匹配的，若是是 <abc[123>abc] 那就是不匹配的。

　　对于 12<a[b{c}]>，咱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，不然匹配失败！！！

//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;
		}
	}
}

　　

六、总结

　　根据栈后进先出的特性，咱们实现了单词逆序以及分隔符匹配。因此其实栈是一个概念上的工具，具体能实现什么功能能够由咱们去想象。栈经过提供限制性的访问方法push()和pop()，使得程序不容易出错。

　　对于栈的实现，咱们稍微分析就知道，数据入栈和出栈的时间复杂度都为O(1)，也就是说栈操做所耗的时间不依赖栈中数据项的个数，所以操做时间很短。并且须要注意的是栈不须要比较和移动操做，咱们不要多此一举。　　

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