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帶你了解Java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法之棧

 更新時間:2022年01月20日 14:44:38   作者:YSOcean  
這篇文章主要為大家介紹了Java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法之棧 ,具有一定的參考價值,感興趣的小伙伴們可以參考一下,希望能夠給你帶來幫助

1、棧的基本概念

(英語:stack)又稱為堆棧堆疊,棧作為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是一種只能在一端進(jìn)行插入和刪除操作的特殊線性表。它按照先進(jìn)后出的原則存儲數(shù)據(jù),先進(jìn)入的數(shù)據(jù)被壓入棧底,最后的數(shù)據(jù)在棧頂,需要讀數(shù)據(jù)的時候從棧頂開始彈出數(shù)據(jù)(最后一個數(shù)據(jù)被第一個讀出來)。棧具有記憶作用,對棧的插入與刪除操作中,不需要改變棧底指針。

棧是允許在同一端進(jìn)行插入和刪除操作的特殊線性表。允許進(jìn)行插入和刪除操作的一端稱為棧頂(top),另一端為棧底(bottom);棧底固定,而棧頂浮動;棧中元素個數(shù)為零時稱為空棧。插入一般稱為進(jìn)棧(PUSH),刪除則稱為退棧(POP)。

由于堆疊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只允許在一端進(jìn)行操作,因而按照后進(jìn)先出(LIFO, Last In First Out)的原理運(yùn)作。棧也稱為后進(jìn)先出表。

這里以羽毛球筒為例,羽毛球筒就是一個棧,剛開始羽毛球筒是空的,也就是空棧,然后我們一個一個放入羽毛球,也就是一個一個push進(jìn)棧,當(dāng)我們需要使用羽毛球的時候,從筒里面拿,也就是pop出棧,但是第一個拿到的羽毛球是我們最后放進(jìn)去的。

2、Java模擬簡單的順序棧實(shí)現(xiàn)  

package com.ys.datastructure;
public class MyStack {
    private int[] array;
    private int maxSize;
    private int top;
    public MyStack(int size){
        this.maxSize = size;
        array = new int[size];
        top = -1;
    }
    //壓入數(shù)據(jù)
    public void push(int value){
        if(top < maxSize-1){
            array[++top] = value;
        }
    }
    //彈出棧頂數(shù)據(jù)
    public int pop(){
        return array[top--];
    }
    //訪問棧頂數(shù)據(jù)
    public int peek(){
        return array[top];
    }
    //判斷棧是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return (top == -1);
    }
    //判斷棧是否滿了
    public boolean isFull(){
        return (top == maxSize-1);
    }
}

測試:

package com.ys.test;
import com.ys.datastructure.MyStack;
public class MyStackTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyStack stack = new MyStack(3);
        stack.push(1);
        stack.push(2);
        stack.push(3);
        System.out.println(stack.peek());
        while(!stack.isEmpty()){
            System.out.println(stack.pop());
        }
    }
}

結(jié)果:  

這個棧是用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的,內(nèi)部定義了一個數(shù)組,一個表示最大容量的值以及一個指向棧頂元素的top變量。構(gòu)造方法根據(jù)參數(shù)規(guī)定的容量創(chuàng)建一個新棧,push()方法是向棧中壓入元素,指向棧頂?shù)淖兞縯op加一,使它指向原頂端數(shù)據(jù)項(xiàng)上面的一個位置,并在這個位置上存儲一個數(shù)據(jù)。pop()方法返回top變量指向的元素,然后將top變量減一,便移除了數(shù)據(jù)項(xiàng)。要知道 top 變量指向的始終是棧頂?shù)脑亍?/p>

產(chǎn)生的問題:

  • ①、上面棧的實(shí)現(xiàn)初始化容量之后,后面是不能進(jìn)行擴(kuò)容的(雖然棧不是用來存儲大量數(shù)據(jù)的),如果說后期數(shù)據(jù)量超過初始容量之后怎么辦?(自動擴(kuò)容)
  • ②、我們是用數(shù)組實(shí)現(xiàn)棧,在定義數(shù)組類型的時候,也就規(guī)定了存儲在棧中的數(shù)據(jù)類型,那么同一個棧能不能存儲不同類型的數(shù)據(jù)呢?(聲明為Object)
  • ③、棧需要初始化容量,而且數(shù)組實(shí)現(xiàn)的棧元素都是連續(xù)存儲的,那么能不能不初始化容量呢?(改為由鏈表實(shí)現(xiàn))

3、增強(qiáng)功能版棧

對于上面出現(xiàn)的問題,第一個能自動擴(kuò)容,第二個能存儲各種不同類型的數(shù)據(jù),解決辦法如下:(第三個在講鏈表的時候在介紹)

這個模擬的棧在JDK源碼中,大家可以參考 Stack 類的實(shí)現(xiàn)。

package com.ys.datastructure;
import java.util.Arrays;
import java.util.EmptyStackException;
public class ArrayStack {
    //存儲元素的數(shù)組,聲明為Object類型能存儲任意類型的數(shù)據(jù)
    private Object[] elementData;
    //指向棧頂?shù)闹羔?
    private int top;
    //棧的總?cè)萘?
    private int size;
    //默認(rèn)構(gòu)造一個容量為10的棧
    public ArrayStack(){
        this.elementData = new Object[10];
        this.top = -1;
        this.size = 10;
    }
    public ArrayStack(int initialCapacity){
        if(initialCapacity < 0){
            throw new IllegalArgumentException("棧初始容量不能小于0: "+initialCapacity);
        }
        this.elementData = new Object[initialCapacity];
        this.top = -1;
        this.size = initialCapacity;
    }
    //壓入元素
    public Object push(Object item){
        //是否需要擴(kuò)容
        isGrow(top+1);
        elementData[++top] = item;
        return item;
    }
    //彈出棧頂元素
    public Object pop(){
        Object obj = peek();
        remove(top);
        return obj;
    }
    //獲取棧頂元素
    public Object peek(){
        if(top == -1){
            throw new EmptyStackException();
        }
        return elementData[top];
    }
    //判斷棧是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return (top == -1);
    }
    //刪除棧頂元素
    public void remove(int top){
        //棧頂元素置為null
        elementData[top] = null;
        this.top--;
    }
    /**
     * 是否需要擴(kuò)容,如果需要,則擴(kuò)大一倍并返回true,不需要則返回false
     * @param minCapacity
     * @return
     */
    public boolean isGrow(int minCapacity){
        int oldCapacity = size;
        //如果當(dāng)前元素壓入棧之后總?cè)萘看笥谇懊娑x的容量,則需要擴(kuò)容
        if(minCapacity >= oldCapacity){
            //定義擴(kuò)大之后棧的總?cè)萘?
            int newCapacity = 0;
            //棧容量擴(kuò)大兩倍(左移一位)看是否超過int類型所表示的最大范圍
            if((oldCapacity<<1) - Integer.MAX_VALUE >0){
                newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
            }else{
                newCapacity = (oldCapacity<<1);//左移一位,相當(dāng)于*2
            }
            this.size = newCapacity;
            int[] newArray = new int[size];
            elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
            return true;
        }else{
            return false;
        }
    }
}

測試:

//測試自定義棧類 ArrayStack
//創(chuàng)建容量為3的棧,然后添加4個元素,3個int,1個String.
@Test
public void testArrayStack(){
    ArrayStack stack = new ArrayStack(3);
    stack.push(1);
    //System.out.println(stack.peek());
    stack.push(2);
    stack.push(3);
    stack.push("abc");
    System.out.println(stack.peek());
    stack.pop();
    stack.pop();
    stack.pop();
    System.out.println(stack.peek());
}v

結(jié)果:

4、利用棧實(shí)現(xiàn)字符串逆序

我們知道棧是后進(jìn)先出,我們可以將一個字符串分隔為單個的字符,然后將字符一個一個push()進(jìn)棧,在一個一個pop()出棧就是逆序顯示了。如下:

將 字符串“how are you” 反轉(zhuǎn)?。?!

ps:這里我們是用上面自定的棧來實(shí)現(xiàn)的,大家可以將ArrayStack替換為JDK自帶的棧類Stack試試

//進(jìn)行字符串反轉(zhuǎn)
@Test
public void testStringReversal(){
    ArrayStack stack = new ArrayStack();
    String str = "how are you";
    char[] cha = str.toCharArray();
    for(char c : cha){
        stack.push(c);
    }
    while(!stack.isEmpty()){
        System.out.print(stack.pop());
    }
}

結(jié)果:  

5、利用棧判斷分隔符是否匹配  

寫過xml標(biāo)簽或者h(yuǎn)tml標(biāo)簽的,我們都知道<必須和最近的>進(jìn)行匹配,[ 也必須和最近的 ] 進(jìn)行匹配。

比如:<abc[123]abc>這是符號相匹配的,如果是 <abc[123>abc] 那就是不匹配的。

對于 12<a[b{c}]>,我們分析在棧中的數(shù)據(jù):遇到匹配正確的就消除

最后棧中的內(nèi)容為空則匹配成功,否則匹配失敗?。?!

//分隔符匹配
//遇到左邊分隔符了就push進(jìn)棧,遇到右邊分隔符了就pop出棧,看出棧的分隔符是否和這個有分隔符匹配
@Test
public void testMatch(){
    ArrayStack stack = new ArrayStack(3);
    String str = "12<a[b{c}]>";
    char[] cha = str.toCharArray();
    for(char c : cha){
        switch (c) {
        case '{':
        case '[':
        case '<':
            stack.push(c);
            break;
        case '}':
        case ']':
        case '>':
            if(!stack.isEmpty()){
                char ch = stack.pop().toString().toCharArray()[0];
                if(c=='}' && ch != '{'
                    || c==']' && ch != '['
                    || c==')' && ch != '('){
                    System.out.println("Error:"+ch+"-"+c);
                }
            }
            break;
        default:
            break;
        }
    }
}

6、總結(jié)

根據(jù)棧后進(jìn)先出的特性,我們實(shí)現(xiàn)了單詞逆序以及分隔符匹配。所以其實(shí)棧是一個概念上的工具,具體能實(shí)現(xiàn)什么功能可以由我們?nèi)ハ胂?。棧通過提供限制性的訪問方法push()和pop(),使得程序不容易出錯。

對于棧的實(shí)現(xiàn),我們稍微分析就知道,數(shù)據(jù)入棧和出棧的時間復(fù)雜度都為O(1),也就是說棧操作所耗的時間不依賴棧中數(shù)據(jù)項(xiàng)的個數(shù),因此操作時間很短。而且需要注意的是棧不需要比較和移動操作,我們不要畫蛇添足?! ?/p>

本篇文章就到這里了,希望能夠給你帶來幫助,也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!

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