Java 数据结构 栈
栈是一种非常有用的数据结构,它就像一摞盘子,第一个放在最下面,第二个放在第一个上面,第三个放在第二个上面,最后一个放在最上面。
对于这一摞盘子,可以做两件事情:
- 在最上面放一个新盘子
- 把顶部的盘子拿走
这两件事情做起来很容易,但如果从中间或者底部抽出来一个盘子,就很难办到。如果想要拿到最下面的盘子,就必须把它上面的所有盘子都拿走,像这样的一个操作,称之为后进先出,也就是“Last In First Out”(简称LIFO)——最后的一个进的,最先出去。
对于栈这样一个数据结构来说,它有两个常见的动作:
push
,中文释义有很多种,或者叫它“压入”,非常形象。当要把一个元素放入栈的顶部,这个动作就叫做push
。pop
,同样的,可以叫它“弹出”,带有很强烈的动画效果,当要从栈中移除一个元素时,这个动作就叫做pop
。
对于上面这幅图来说,3 这个元素最后放进去,却是最先被移除的——遵循 LIFO 的原则。
明白了栈的基本操作后,需要去深入地思考一下,栈是如何工作的。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)栈需要有一个指针,称之为 TOP
,用它来指向栈中最顶部的那个元素。
2)当初始化一个栈的时候,把 TOP
的值设置为 -1
,这样就可以通过 TOP == -1
来判断栈是否为空。
3)当要在栈中压入一个元素的时候,把 TOP
的值加 1,然后把新压入的元素指向 TOP。
4)当要从栈中弹出一个元素的时候,把 TOP
的值减 1,然后把保持在最顶部的那个元素指向 TOP。
5)当压入一个元素的时候,需要检查栈是否已经满了。也就是说,需要有一个 isFull()
的方法来判断。
6)当要弹出一个元素的时候,需要检查栈是否已经空了。也就是说,需要有一个 isEmpty()
的方法来判断。
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。
假设栈中的元素是 int 类型,可以用 Java 语言来自定义一个最简单的栈。它需要 3 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
初始化栈:class Stack {
private int arr[];
private int top;
private int capacity;
}
往栈中压入元素:Stack(int size) {
arr = new int[size];
capacity = size;
top = -1;
}
从栈中弹出元素: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;
}
返回栈的大小:public int pop() { if (isEmpty()) { System.out.println("栈是空的"); System.exit(1); } return arr[top--]; }
检查栈是否为空:public int size() { return top + 1; }
检查栈是否已经满了:public Boolean isEmpty() { return top == -1; }
通过public Boolean isFull() { return top == capacity - 1; }
main()
方法直接测试下:
打印结果如下所示: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(); }
由于是通过数组来实现的栈,所以压入 1 压入 2 压入 3 压入 4 弹出元素后 1 2 3
push
和pop
的时间复杂度就是O(1)
。
尽管栈是一种非常简单的数据结构,通过上面的代码大家应该也能感受得出来,轻而易举地就实现了,但是栈却是一种非常强有力的数据结构,可以在很多场景中使用,比如说:
1)反转一串字符:
由于栈是LIFO
的,所以反转一串字符很容易,按照正常的顺序把字符压入栈中,然后再弹出来就行了。
2)用于计算器:
要想计算一个复杂的表达式,比如说2 + 5 / 3 * (6 - 2)
,就需要一个栈来容纳这些数字和运算符,然后按照优先级弹出后进行计算。
3)用于浏览器:
浏览器的后退按钮会把访问的 URL 压入一个栈中,每次访问一个新的页面,新的 URL 就压入了栈的顶部,当点了后退按钮,最新的那个 URL 就从栈中移除,之前的那个 URL 就被访问到了。