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。