数据结构与算法之美08

数据结构与算法之美08

一、什么是栈?
1.后进者先出,先进者后出,这就是典型的“栈”结构。
2.从栈的操作特性来看,是一种“操作受限”的线性表,只允许在端插入和删除数据。
二、为什么需要栈?
1.栈是一种操作受限的数据结构,其操作特性用数组和链表均可实现。
2.但,任何数据结构都是对特定应用场景的抽象,数组和链表虽然使用起来更加灵活,但却暴露了几乎所有的操作,难免会引发错误操作的风险。
3.所以,当某个数据集合只涉及在某端插入和删除数据,且满足后进者先出,先进者后出的操作特性时,我们应该首选栈这种数据结构。
三、如何实现栈?
1.栈的API
public class Stack<Item> {
//压栈
public void push(Item item){}
//弹栈
public Item pop(){}
//是否为空
public boolean isEmpty(){}
//栈中数据的数量
public int size(){}
//返回栈中最近添加的元素而不删除它
public Item peek(){}
}
2.数组实现(自动扩容)
时间复杂度分析:根据均摊复杂度的定义,可以得数组实现(自动扩容)符合大多数情况是O(1)级别复杂度,个别情况是O(n)级别复杂度,比如自动扩容时,会进行完整数据的拷贝。
空间复杂度分析:在入栈和出栈的过程中,只需要一两个临时变量存储空间,所以O(1)级别。我们说空间复杂度的时候,是指除了原本的数据存储空间外,算法运行还需要额外的存储空间。
实现代码:(见另一条留言)

3.链表实现
时间复杂度分析:压栈和弹栈的时间复杂度均为O(1)级别,因为只需更改单个节点的索引即可。
空间复杂度分析:在入栈和出栈的过程中,只需要一两个临时变量存储空间,所以O(1)级别。我们说空间复杂度的时候,是指除了原本的数据存储空间外,算法运行还需要额外的存储空间。
实现代码:

实现代码:(栈的数组实现)
public class StackOfArray<Item> implements Iterable<Item>{
//存储数据的数组
Item[] a = (Item[])new Object[1];
//记录元素个数N
int N = 0;
//构造器
public StackOfArray(){}
//添加元素
public void push(Item item){
//自动扩容
if (N == a.length ) resize(2*a.length );
a[N++] = item;
}
//删除元素
public Item pop(){
Item item = a[–N];
a[N] = null;
if (N > 0 && N == a.length / 4) resize(a.length / 2);
return item;
}
//是否为空
public boolean isEmpty(){
return N == 0;
}
//元素个数
public int size(){
return N;
}
//改变数组容量
private void resize(int length) {
Item[] temp = (Item[])new Object[length];
for (int i = 0; i < N; i++) {
temp[i] = a[i];
}
a = temp;
}
//返回栈中最近添加的元素而不删除它
public Item peek(){
return a[N-1];
}
@Override
public Iterator<Item> iterator() {
return new ArrayIterator();
}
//内部类
class ArrayIterator implements Iterator{
//控制迭代数量
int i = N;
@Override
public boolean hasNext() {
return i > 0;
}
@Override
public Item next() {
return a[–i];
}
}
}

实现代码:(栈的链表实现)
public class StackOfLinked<Item> implements Iterable<Item> {
//定义一个内部类,就可以直接使用类型参数
private class Node{
Item item;
Node next;
}
private Node first;
private int N;
//构造器
public StackOfLinked(){}
//添加
public void push(Item item){
Node oldfirst = first;
first = new Node();
first.item = item;
first.next = oldfirst;
N++;
}
//删除
public Item pop(){
Item item = first.item;
first = first.next;
N–;
return item;
}
//是否为空
public boolean isEmpty(){
return N == 0;
}
//元素数量
public int size(){
return N;
}
//返回栈中最近添加的元素而不删除它
public Item peek(){
return first.item;
}
@Override
public Iterator<Item> iterator() {
return new LinkedIterator();
}
//内部类:迭代器
class LinkedIterator implements Iterator{
int i = N;
Node t = first;
@Override
public boolean hasNext() {
return i > 0;
}
@Override
public Item next() {
Item item = (Item) t.item;
t = t.next;
i–;
return item;

}
}

四、栈的应用
1.栈在函数调用中的应用
操作系统给每个线程分配了一块独立的内存空间,这块内存被组织成“栈”这种结构,用来存储函数调用时的临时变量。每进入一个函数,就会将其中的临时变量作为栈帧入栈,当被调用函数执行完成,返回之后,将这个函数对应的栈帧出栈。
2.栈在表达式求值中的应用(比如:34+13*9+44-12/3)
利用两个栈,其中一个用来保存操作数,另一个用来保存运算符。我们从左向右遍历表达式,当遇到数字,我们就直接压入操作数栈;当遇到运算符,就与运算符栈的栈顶元素进行比较,若比运算符栈顶元素优先级高,就将当前运算符压入栈,若比运算符栈顶元素的优先级低或者相同,从运算符栈中取出栈顶运算符,从操作数栈顶取出2个操作数,然后进行计算,把计算完的结果压入操作数栈,继续比较。
3.栈在括号匹配中的应用(比如:{}{[()]()})
用栈保存为匹配的左括号,从左到右一次扫描字符串,当扫描到左括号时,则将其压入栈中;当扫描到右括号时,从栈顶取出一个左括号,如果能匹配上,则继续扫描剩下的字符串。如果扫描过程中,遇到不能配对的右括号,或者栈中没有数据,则说明为非法格式。
当所有的括号都扫描完成之后,如果栈为空,则说明字符串为合法格式;否则,说明未匹配的左括号为非法格式。
4.如何实现浏览器的前进后退功能?
我们使用两个栈X和Y,我们把首次浏览的页面依次压如栈X,当点击后退按钮时,再依次从栈X中出栈,并将出栈的数据一次放入Y栈。当点击前进按钮时,我们依次从栈Y中取出数据,放入栈X中。当栈X中没有数据时,说明没有页面可以继续后退浏览了。当Y栈没有数据,那就说明没有页面可以点击前进浏览了。
五、思考
1. 我们在讲栈的应用时,讲到用函数调用栈来保存临时变量,为什么函数调用要用“栈”来保存临时变量呢?用其他数据结构不行吗?
答:因为函数调用的执行顺序符合后进者先出,先进者后出的特点。比如函数中的局部变量的生命周期的长短是先定义的生命周期长,后定义的生命周期短;还有函数中调用函数也是这样,先开始执行的函数只有等到内部调用的其他函数执行完毕,该函数才能执行结束。
正是由于函数调用的这些特点,根据数据结构是特定应用场景的抽象的原则,我们优先考虑栈结构。
2.我们都知道,JVM 内存管理中有个“堆栈”的概念。栈内存用来存储局部变量和方法调用,堆内存用来存储 Java 中的对象。那 JVM 里面的“栈”跟我们这里说的“栈”是不是一回事呢?如果不是,那它为什么又叫作“栈”呢?
答:JVM里面的栈和我们这里说的是一回事,被称为方法栈。和前面函数调用的作用是一致的,用来存储方法中的局部变量。

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