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栈Stack(附源码)

栈在Java应用中并不常用,但栈这个数据结构在整个计算机体系中十分重要。

栈(stack),不要和heap(堆)搞混。都是堆栈这个词惹的祸。

栈数据结构:

栈就像是,盘子洗好后,要整理,然后一个叠一个。

对这些盘子,可以做两个事:

在最上面放一个新盘子

把顶部的盘子拿走。

这两个行为做起来很容易,但是如果从中间或者底部抽出来一个盘子,就很难。

如果我们想拿到最下面的盘子,就得把上面的一个一个拿走。这样的操作称为后进先出(LIFO)“Last In First Out”。

对于栈这样的数据结构来说,有两个常见的操作;

push:这个动作就是压入。

pop:这个动作就是弹出。

明白了栈的基本操作之后,需要深入的思考一下,栈是如何工作。换句话说,为了使栈这个数据结构按照栈的方式去工作,它需要什么?

1)一个TOP指针,用来指向栈最顶的元素。

2)初始化时候,TOP=-1,用来判断栈是否为空。

3)当我们要在栈中压入一个元素的时候,我们把TOP的值加1,然后把TOP指向新元素。

4)当我们弹出一个元素时候,我们把TOP的值减1,然后把TOP指向最新的老东西。

5)当压入的时候许哟啊判断是否已经满了,也就是说需要有isFull()方法。

6)当我们要弹出一个元素的时候,需要检查是否已经空了,也就是说要有isEmpty()方法。

 

空栈的时候,TOP 等于 -1;把元素 1 压入栈中的时候,stack[0] 为 1,TOP 加 1 变为 0;把元素 2 压入栈中的时候,stack[1] 为 2,TOP 加 1 变为 1;把元素 3 压入栈中的时候,stack[2] 为 3,TOP 加 1 变为 2;把元素 3 从栈中弹出后,返回元素 stack[2],TOP 减 1 变为 1.

自定义栈:

来定义一个存储int类型的栈,使用Java语言。

需要三个字段:

int arr[],一个int类型的数组,来存放数据。

int top,一个int类型的标记。

int capacity,一个int类型的容量。

class Stack { private int arr[]; private int top; private int capacity; }

初始化栈:

Stack(int size) { arr = new int[size]; capacity = size; top = -1; }

往栈中压入元素:

public void push(int x) { if (isFull()) { System.out.println("溢出\n程序终止\n"); System.exit(1); } System.out.println("压入 " + x); arr[++top] = x; }

从栈中弹出元素:

public int pop() { if (isEmpty()) { System.out.println("栈是空的"); System.exit(1); } return arr[top--]; }

返回栈的大小:

public int size() { return top + 1; }

查找栈是否为空:

public Boolean isEmpty() { return top == -1; }

检查栈是否已经满了:

public Boolean isEmpty() { return top == -1; }

来个main()方法直接测试下:

public void printStack() { for (int i = 0; i <= top; i++) { System.out.println(arr[i]); } } public static void main(String[] args) { Stack stack = new Stack(5); stack.push(1); stack.push(2); stack.push(3); stack.push(4); stack.pop(); System.out.println("\n弹出元素后"); stack.printStack(); }

打印结果如下:

压入 1 
压入 2 
压入 3 
压入 4 弹出元素后 
1 
2 
3

由于是通过数组来实现的栈,所以push和pop的时间复杂度都是O(1)。

尽管栈是一种很简单的数据结构,但是它却非常强而有力,在很多场景中可以用。

1)反转-字符串:正常顺序压入,然后弹出。

2)用于计算器:

3)用于浏览器:浏览器的后退按钮会将访问的URL压入一个栈中,每次访问新的,旧的旧压入了栈顶,点击回退最新的移除,之前的URL被找到。

Stack类:

Java中实现的栈,java.util.stack,继承自Vector,是线程安全的,有点StringBuffer的感觉。

Stack类并不复杂,仅有几个重要的方法,比如push、pop、peek、empty、search等等。

来看看push源码:

    public E push(E item) {addElement(item);return item;}

push方法虽然没有synchronized关键字,但调用了Vector类的addElement方法,该方法加上了synchronized关键字。

    public synchronized void addElement(E obj) {modCount++;add(obj, elementData, elementCount);}

再来看一下pop方法的源码:

    public synchronized E pop() {E       obj;int     len = size();obj = peek();removeElementAt(len - 1);return obj;}

可以看到添加了synchronized关键字,并且先调用peek方法获取到栈顶元素。

    public synchronized E peek() {int     len = size();if (len == 0)throw new EmptyStackException();return elementAt(len - 1);}

接着调用Vector类的removeElementAt()方法移除栈顶元素。

    public synchronized void removeElementAt(int index) {if (index >= elementCount) {throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index + " >= " +elementCount);}else if (index < 0) {throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(index);}int j = elementCount - index - 1;if (j > 0) {System.arraycopy(elementData, index + 1, elementData, index, j);}modCount++;elementCount--;elementData[elementCount] = null; /* to let gc do its work */}

注意该方法如果移除的不是栈顶元素,还会调用System.arraycopy进行数组拷贝,因为栈的底层是由数组实现的。

public class Vector<E>extends AbstractList<E>implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{protected Object[] elementData;protected int elementCount;protected int capacityIncrement;
}

小结

栈是一种非常有用的数据结构,特点是先进后出,可以反转字符串,实现计算器,浏览器的后退按钮等等。

虽然Stack类不常用,但是栈这个数据结构很重要。再Java中,推进使用ArrayDeque来代替Stack,因为ArrayDeque是非线程安全的,性能更好。

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