讲真,Stack 这个类在 Java 应用中并不常用,但栈这个数据结构在整个计算机体系中却十分重要。所以我们还是放到集合框架里来讲一讲。
栈(stack),有些地方喜欢称呼它为堆栈,我就很不喜欢,很容易和 heap(堆)搞混,尤其是对于新手来说,简直就是虐心。
栈数据结构
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,我们可以做两件事情:
- 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。如果我们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,我们称之为后进先出,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,我个人更喜欢叫它"压入",非常形象。当我们要把一个元素放入栈的顶部,这个动作就叫做 push。
- pop,同样的,我个人更喜欢叫它"弹出",带有很强烈的动画效果,有没有?当我们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,我们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,我们称之为 TOP
,用它来指向栈中最顶部的那个元素。
2)当我们初始化一个栈的时候,我们把 TOP
的值设置为 -1
,这样我们就可以通过 TOP == -1
来判断栈是否为空。
3)当我们要在栈中压入一个元素的时候,我们把 TOP
的值加 1,然后把新压入的元素指向 TOP。
4)当我们要从栈中弹出一个元素的时候,我们把 TOP
的值减 1,然后把保持在最顶部的那个元素指向 TOP。
5)当我们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)当我们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。
自定义栈
假设栈中的元素是 int 类型,我们可以用 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
java
class Stack {
private int arr[];
private int top;
private int capacity;
}
初始化栈:
java
Stack(int size) {
arr = new int[size];
capacity = size;
top = -1;
}
往栈中压入元素:
java
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;
}
从栈中弹出元素:
java
public int pop() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("栈是空的");
System.exit(1);
}
return arr[top--];
}
返回栈的大小:
java
public int size() {
return top + 1;
}
检查栈是否为空:
java
public Boolean isEmpty() {
return top == -1;
}
检查栈是否已经满了:
java
public Boolean isFull() {
return top == capacity - 1;
}
来个 main()
方法直接测试下:
java
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();
}
打印结果如下所示:
压入 1
压入 2
压入 3
压入 4
弹出元素后
1
2
3
由于我们是通过数组来实现的栈,所以 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 :记得我实习的时候,公司就给我们新人安排了我们一个小项目------模仿一个 Win 7 的计算机,用来考察我们是不是真材实料,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。
嗯,这个计算要比想象中复杂一些,新手同学可以私底下实现一下,不仅能够提高对栈这种数据结构的理解,还能对运算符的一个优先级进行思考。
很显然,栈,给我赢得了一次实习的机会,避免了被刷下去的危机。
3)用于浏览器:浏览器的后退按钮会把我们访问的 URL 压入一个栈中,每次我们访问一个新的页面,新的 URL 就压入了栈的顶部,当我们点了后退按钮,最新的那个 URL 就从栈中移除,之前的那个 URL 就被访问到了。
好了,下课,今天的栈就到此为止吧。
Stack 类
其实 Java 已经帮我们实现了一个栈,就是 java.util.Stack
,它继承自 Vector
,是线程安全的,有点 StringBuffer 的感觉,笨笨的。
先来个简单的例子:
java
Stack<String> stack = new Stack<>();
stack.push("沉默王二");
stack.push("沉默王三");
stack.push("一个文章真特么有趣的程序员");
System.out.println(stack);
Stack 类并不复杂,仅有几个重要的方法,比如说 push
、pop
、peek
、empty
、search
等等。
我们来看一下 push
方法的源码:
java
public E push(E item) {
addElement(item);
return item;
}
push
方法虽然没有 synchronized 关键字,但调用了 Vector
类的 addElement
方法,该方法上添加了 synchronized
关键字。
java
public synchronized void addElement(E obj) {
modCount++;
ensureCapacityHelper(elementCount + 1);
elementData[elementCount++] = obj;
}
再来看一下 pop
方法的源码:
java
public synchronized E pop() {
E obj;
int len = size();
obj = peek();
removeElementAt(len - 1);
return obj;
}
该方法添加了 synchronized
关键字,并且先调用 peek
方法获取到栈顶元素:
java
public synchronized E peek() {
int len = size();
if (len == 0)
throw new EmptyStackException();
return elementAt(len - 1);
}
接着调用 Vector 类的 removeElementAt
方法移除栈顶元素。
注意该方法如果移除的不是栈顶元素,还会调用 System.arraycopy
进行数组的拷贝,因为栈的底层是由数组实现的。
java
public class Vector<E>
extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
protected Object[] elementData;
protected int elementCount;
protected int capacityIncrement;
}
小结
栈是一种非常有用的数据结构,它的特点是后进先出,可以用来反转一串字符、实现计算器、浏览器的后退按钮等等。
虽然 Stack 类并不常用,但栈这个数据结构却很重要。在 Java 中,推荐使用 ArrayDeque 来代替 Stack,因为 ArrayDeque 是非线程安全的,性能更好。
如果想通过 LeetCode 进行练习的话,可以尝试一下这道题:
有效的括号,我把题解放到了技术派上,大家可以参考。
本篇已收录在 GitHub 上标星 10000+ 的开源知识库《二哥的 Java 进阶之路》中,据说每一个优秀的 Java 程序员都喜欢它,风趣幽默、通俗易懂。学 Java,就认准二哥的 Java 进阶之路😄。
Github 仓库:github.com/itwanger/to...
码云仓库(国内访问更快):gitee.com/itwanger/to...
star 了这个仓库就等于你拥有了成为了一名优秀 Java 工程师的潜力。
没有什么使我停留------除了目的,纵然岸旁有玫瑰、有绿荫、有宁静的港湾,我是不系之舟。