数据结构与算法系列——栈

什么是栈

栈是一种运算受限制的线性表,只允许在表的一端进行插入和删除操作。这一端被称为栈顶,另一端被称为栈底。向一个栈中插入新数据叫做进栈、入栈或者压栈,是把新元素放到栈顶上边,使其成为新的栈顶元素;删除数据叫做出栈或者退栈,就是把栈顶的元素删掉,使其下边的元素称为新的栈顶元素。

举一个容易理解的例子,就是有一摞盘子,我们用的时候从上往下一个一个取,放的时候都是从下往上一个一个放,一般不从中间取或者放。这种先进后出,后进先出的数据结构就是栈。

这种操作受限的数据结构在什么情况下用呢,我们为什么不能用操作更为方便的数组或者链表呢。当某个数据只涉及在一端的插入和删除数据,并满足先进后出,后进先出的特点,我们就可以用栈这种数据结构,而数组和链表因为操作的灵活性,有时候会使一些数据不可控,更容易出现错误。

栈的实现

从功能上,我们是可以用数组和链表来实现栈,只要实现栈的入栈和出栈的操作,即从栈顶插入新的数据,从栈顶删除数据。用数组实现的栈叫做顺序栈,用链表实现的栈叫做链表栈。下边我们分别看一下用数组和链表实现栈的代码。这里用Java代码实现。

  • 数组实现
//基于数组实现的栈
public class ArrayStack{

    //数组
    private String[] items;
    //栈的大小
    private int length;
    //栈中元素的个数
    private int count;


    public ArrayStack(int len){
        items = new String[len];
        length = len;
        count = 0;
    }

    //入栈
    public boolean Push(String x){
        //数组空间不足
        if(count == length){
            return false;
        }
        items[count] = x;
        count++;
        return true;
    }

    //出栈
    public String Pop(){
        //栈为空
        if(count == 0){
            return null;
        }
        String tem = items[count-1];
        count--;
        return tem;
    }

}

  • 链表实现
//基于链表实现的栈
public class ListNodeStack {

    private ListNode top;

    //进栈
    public void Push(int val) {
        ListNode node = new ListNode(val, null);
        if (top == null) {
            top = node;
        } else {
            node.next = top;
            top = node;
        }
    }

    //出栈
    public int Pop() {
        if (top == null) {
            return -1;
        }
        int val = top.val;
        top = top.next;
        return val;
    }


    //链表的结点
    class ListNode {
        private int val;
        private ListNode next;

        public ListNode(int x, ListNode next) {
            val = x;
            this.next = next;
        }

        public int GetValue() {
            return val;
        }
    }
}

上边代码用数组实现的栈是一个固定大小的栈,当栈满了之后就没法办插入新的数据了,那么我们能不能用数组实现一个动态扩容的栈呢?前边我们将数组的时候说过,实现一个动态扩容的数组,是在数组满了的时候,我们重新创建一个大小为原来两倍的数组,然后把原来数组的数据拷贝到新的数组中,所以我们也可以用这个方法来实现一个动态扩容的栈。我们看一下代码实现。

//基于数组实现的栈
public class ArrayStack {

    //数组
    private String[] items;
    //栈的大小
    private int length;
    //栈中元素的个数
    private int count;


    public ArrayStack(int len) {
        items = new String[len];
        length = len;
        count = 0;
    }

    //入栈
    public void Push(String x) {
        //数组空间不足
        if (count == length) {
            DilatationArray();
        }
        items[count] = x;
        count++;
    }

    //出栈
    public String Pop() {
        //栈为空
        if (count == 0) {
            return null;
        }
        String tem = items[count - 1];
        count--;
        return tem;
    }

    //数组扩容
    private void DilatationArray() {
        String[] newArray = new String[length * 2];
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            newArray[i] = items[I];
        }
        items = newArray;
    }

}

栈的实际应用

  1. 在函数调用中的应用

在Java的虚拟机中有一个内存区域被称为虚拟机栈。每个方法在执行的时候都会创建一个“栈帧”。用来存储局部变量表(包括参数)、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每个方法从调用到结束就会有栈帧在虚拟机栈中入栈和出栈。

举一个简单的例子。

public class AddClass{
    public int Main(){
        int a = 0;
        int b = 5;
        int c = 0;
        a = Add(2, 3);
        c = a + b;
        return c;
    }
    
    public int Add(int x, int y){
        int sum = 0;
        sum = x + y;
        return sum;
    }
}

从代码中我们看到 Main 方法中首先声明了几个变量,然后调用了 Add 方法,然后经过一些运算,最后返回一个值。我们画图来更直观的看一下这个过程。

  1. 在表达式求值中的应用

编辑器的表达式求值的过程,就是用栈来实现的。我们举一个简单的四则运算的表达式的求值过程来看一下。例如:1+2*3-4/2。编辑器是怎么计算来得到最后的值呢。

这个求值过程,编辑器是用两个栈来实现的,一个保存数字的栈,一个保存运算符号的栈。我们从左向右遍历表达式,当遇到数字的时候把它压入数字栈,当遇到运算符号的时候,就与运算符栈的栈顶的运算符比较,如果比栈顶的运算符优先级高,就直接压入运算符栈,如果比栈顶的运算符优先级低或者相同,那么就从运算符栈取出栈顶运算符号,从数字栈中取出两个数字进行计算,然后把结果压入数字栈,然后继续比较,依次类推,知道最后。

我们为了更形象的理解,也用画图的方式来展示一下这个过程。

  1. 在各种前进后退操作中的应用

我们在各中编辑器的撤销和恢复操作,浏览器中的前进和后退操作,都是用栈来实现的。

我们用两个栈 A 和 B,当我们执行操作的时候把我们的每一个操作依次压入 A 栈中,当我们执行后退的操作时,依次从 A 栈中取出,然后压入 B 栈中,当执行前进操作的时候,依次从 B 栈中取出,然后压入 A 栈中。

比如我们依次执行了 a,b,c 操作,我们依次把 a,b,c 压入 A 栈。如图

假如我们现在想要撤销 c 和 b 操作。那么它就是这样的。

假如我又想恢复操作 b

这个时候我继续执行新的操作 d,那么无论前进后退我们都无法再回到操作 c 了,所以我们应该清空 B 栈。

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