【数据结构】 栈（Stack）与栈的模拟实现

栈(Stack)

栈的概念

栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。

栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则

• 压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶。

• 出栈：栈的删除操作叫做出栈。出数据在栈顶。

• 

比如下面数据的出栈与进栈

就像枪的弹匣一样，先压进去的子弹，最后出来

栈的使用

在java中，提供了这些方法用于操作栈

使用如下：

import java.util.Stack;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stack<Integer> s = new Stack();
        s.push(1);
        s.push(2);
        s.push(3);
        s.push(4);
        System.out.println(s.size()); // 获取栈中有效元素个数---> 4
        System.out.println(s.peek()); // 获取栈顶元素---> 4
        s.pop(); // 4出栈，栈中剩余1 2 3，栈顶元素为3
        System.out.println(s.pop()); // 3出栈，栈中剩余1 2 栈顶元素为3
        if(s.empty()){
            System.out.println("栈为空");
        }else{
            System.out.println(s.size());
        }
    }
}

栈的模拟实现

从下图中可以看到，Stack继承了Vector，Vector和ArrayList类似，都是动态的顺序表，不同的是Vector是线程安全的

接下来我们模拟实现一个栈

栈的创建

我们创建一个MyStack的类，用于模拟实现我们的栈

• 我们的这里的模拟栈用数组的形式给大家呈现

• 创建一个int型的elem数组

• 再创建一个usedSize的常数，用于记录栈中元素个数

• 

• 再给一个构造方法，构造栈初始的长度

代码实现如下：

public class MyStack {
    public int[] elem;
    public int usedSize;

    public MyStack() {
        this.elem = new int[10];
    }
}

栈是否为空

若usedSize为0则为空，所以直接比较返回就好

代码实现如下

    public boolean isEmpty() {
        return usedSize == 0;
    }

压栈

做法如下：

• 首先对现有栈进行判断是否为满，若满则需要进行扩容
• 若没有满，则只需要将该元素放在数组elem下标为usedSize的位置
• 然后usedSize加一即可

代码实现如下：

    //压栈
    public void push(int val) {
        if(isFull()) {
            //扩容
            elem = Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);
        }
        elem[usedSize++] = val;
    }
    public boolean isFull() {
        return usedSize == elem.length;
    }

出栈

做法如下：

• 首先得判断栈是否为空，若为空我们需要抛出异常
• 这里我们自定义一个异常为EmptyException如下

public class EmptyException extends RuntimeException{
    public EmptyException() {
    }

    public EmptyException(String message) {
        super(message);
    }
}

• 若不为空，则usedSize变为usedSize-1
• 然后返回usedSize下标的元素即可

代码实现如下：

    //出栈
    public int pop() {
        if(isEmpty()) {
            throw new EmptyException("栈是空的！");
        }
        return elem[--usedSize];
    }
    public boolean isEmpty() {
        return usedSize == 0;
    }

获取栈顶元素

做法如下：

• 我们同样需要对栈进行是否为空的判断
• 若为空，抛出我们自定义栈为空的异常EmptyException
• 若不为空，则返回数组elem下标为usedSize-1的元素

代码实现如下：

    public int peek() {
        if(isEmpty()) {
            throw new EmptyException("栈是空的！");
        }
        return elem[usedSize-1];
    }

MyStack完整代码实现

import java.util.Arrays;

public class MyStack {
    public int[] elem;
    public int usedSize;

    public MyStack() {
        this.elem = new int[10];
    }
    //压栈
    public void push(int val) {
        if(isFull()) {
            //扩容
            elem = Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);
        }
        elem[usedSize++] = val;
    }
    public boolean isFull() {
        return usedSize == elem.length;
    }
    //出栈
    public int pop() {
        if(isEmpty()) {
            throw new EmptyException("栈是空的！");
        }
        return elem[--usedSize];
    }
    public boolean isEmpty() {
        return usedSize == 0;
    }
    public int peek() {
        if(isEmpty()) {
            throw new EmptyException("栈是空的！");
        }
        return elem[usedSize-1];
    }
}

自定义异常

public class EmptyException extends RuntimeException{
    public EmptyException() {
    }

    public EmptyException(String message) {
        super(message);
    }
}

概念区分（栈、虚拟机栈、栈帧）

栈（stack） ：是只允许在一端进行插入或删除的线性表，满足后入先出的特点。

虚拟机栈 ：逻辑结构，是具有特殊作用的一块内存空间 。 主管Java程序的运行，它保存方法的局部变量 (8种基本数据类型、对象的引用地址)、部分结果，并参与方法的调用和返回。

栈帧 ：函数从调用过程到结束的体现，一个函数从调用到销毁其中占用的空间，内部的局部变量统一放在栈帧中。 每个函数在运行时，jvm都会创建一个栈帧，然后将栈帧压入到虚拟机栈中，当函数调用结束时，该函数对应的栈帧会从虚拟机栈中出栈。

⭕总结

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