Java数据结构-栈

vampire-wpre2024-04-03 11:48

目录

  • [1. 栈的概念](#1. 栈的概念)
  • [2. 栈的实现](#2. 栈的实现)
    • [2.1 顺序栈](#2.1 顺序栈)
    • [2.2 链式栈](#2.2 链式栈)
  • [3. 栈的应用](#3. 栈的应用)
    • [3.1 栈的使用](#3.1 栈的使用)
    • [3.2 括号匹配](#3.2 括号匹配)
    • [3.3 逆波兰表达式求值](#3.3 逆波兰表达式求值)
    • [3.4 出栈入栈次序匹配](#3.4 出栈入栈次序匹配)
    • [3.4 最小栈](#3.4 最小栈)

1. 栈的概念

栈是一种顺序结构，只允许在一端进行插入和删除，插入删除的一端叫栈顶，另一端叫栈底。栈是一种先进后出（后进先出）的数据结构。插入数据的操作叫入栈，删除数据的操作叫出栈。

2. 栈的实现

栈的实现有两种，一种是顺序栈，底层是数组；另一种是链式栈，是用链表实现的。栈的主要功能有：push（入栈）、pop（出栈）、peek（获取栈顶元素，不删除）、empty（判断栈是否为空）

2.1 顺序栈

使用数组实现，定义curSize记录当前数据的个数，如果空间满了，通过copyOf方法扩容

java 复制代码 
public class myStack<E> {
    public Object[] arr;//存放数据的数组
    public int curSize;//当前数据的个数

    public myStack() {
        this.arr = new Object[10];
    }

    //入栈
    public E push(E val) {
        //满了,扩容
        if (curSize == arr.length) {
            this.arr = Arrays.copyOf(this.arr, 2 * this.arr.length);
        }
        arr[curSize] = val;
        curSize++;

        return val;//返回入栈的元素
    }

    //出栈
    public E pop() {
        if (empty()) {
        	//如果栈中为空
            return null;
        }
        Object ret = this.arr[curSize - 1];
        curSize--;
        return (E) ret;//返回出栈的元素
    }

    //获取栈顶元素,不删除
    public E peek() {
        if (curSize == 0) {
            return null;
        }
        Object ret = this.arr[curSize - 1];
        return (E) ret;//返回栈顶元素
    }

    //判断是否为空
    public boolean empty() {
        return curSize == 0;
    }
}

2.2 链式栈

如果用单链表实现栈，只能在链表的头部进行操作，这样时间复杂度才为O(1)；如果使用的是双向链表，头部和尾部都可以，这里我们使用单链表实现

java 复制代码 
public class myStack<E> {

	//链表的结点
    static class ListNode {
        public Object val;//数据
        public ListNode next;//下一个结点

        public ListNode(Object val) {
            this.val = val;
        }
    }

    public ListNode head;//(头结点)第一个结点

    //入栈
    public E push(E val) {
        ListNode newNode = new ListNode(val);
        if (head != null) {
            newNode.next = head;
        }
        head = newNode;
        return val;
    }

    //出栈
    public E pop() {
        if (head == null) {
            return null;
        }
        Object ret = head.val;

        if (head.next == null) {
            head = null;
            return (E) ret;
        }


        head = head.next;


        return (E) ret;
    }

    //获取栈顶元素
    public E peek() {
        if (head == null) {
            return null;
        }
        return (E) head.val;
    }

    //判断栈是否为空
    public boolean empty() {
        if (head == null) {
            return true;
        }
        return true;
    }

}

3. 栈的应用

3.1 栈的使用

在Java中，stack继承于Vector，实现了List接口

Java中stack的方法如下

search返回栈中某个元素举例栈顶的距离，如果该元素就是栈顶元素返回1，如果栈中不包含该元素，返回-1，如图

3.2 括号匹配

题目链接： 有效的括号
题目要求： 给定字符串，字符串中只包含（）{ } [ ]，判断字符串中的括号是否能够匹配成功
解题思路： 遍历字符串，如果该字符是左括号就入栈，如果是右括号，看当前栈顶的元素是否与它匹配，如果匹配则将栈顶元素出栈；如果不匹配说明整个字符串都不匹配，此时返回false

匹配成功的条件是：字符串遍历结束并且栈为空

代码：

java 复制代码 
class Solution {
    public boolean isValid(String s) {
        Stack<Character> stack = new Stack<>();//创建字符类型的栈
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            char ch = s.charAt(i);//获取i下标的字符
            if (ch == '(' || ch == '{' || ch == '[') {
            	//如果是左括号,入栈
                stack.push(ch);
            } else {
            	//i下标是右括号
                //栈为空,返回
                if (stack.empty()) {
                    return false;
                }
                //判断栈顶元素是否匹配
                char tmp = stack.peek();
                if (tmp == '(' && ch == ')' || tmp == '{' && ch == '}' || tmp == '[' && ch == ']') {
                    stack.pop();
                } else {
                    return false;
                }
            }
        }

        return stack.empty();
    }
}

3.3 逆波兰表达式求值

题目链接： 逆波兰表达式求值
题目要求： 给定的字符串数组是逆波兰表达式，求逆波兰表达式的值
逆波兰表达式： （Reverse Polish Notation，RPN，或逆波兰记法），也叫后缀表达式（将运算符写在操作数之后），而中缀表达式就是我们平时看见的表达式，如何将中缀表达式转换为后缀表达式？分为两步

1.加括号：将表达式从左到右加括号(先乘除后加减)

2.移运算符：将括号内的运算符移到对应的括号外

解题思路： 要求逆波兰表达式的值，可以利用栈，申请一个栈，遍历字符串数组，如果是数字，则入栈，如果是操作符，出栈两个元素进行运算，先出栈的作为右操作数，后出栈的作为左操作数，将运算结果入栈。重复以上操作，当遍历完字符串数组时，此时栈内只剩下一个元素，该元素就是计算结果。
代码：

java 复制代码 
class Solution {
    public int evalRPN(String[] tokens) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        for (int i = 0; i < tokens.length; i++) {
            String tmp = tokens[i];
            if (!isOperation(tmp)) {
                //如果不是操作符        
                Integer val = Integer.valueOf(tmp);//将字符转换为整型数字
                stack.push(val);
            } else {
                Integer val2 = stack.pop();
                Integer val1 = stack.pop();
                    switch (tmp) {
                    case "+":
                        stack.push(val1 + val2);
                        break;
                    case "-":
                        stack.push(val1 - val2);
                        break;
                    case "*":
                        stack.push(val1 * val2);
                        break;
                    case "/":
                        stack.push(val1 / val2);
                        break;
                }
            }
        }
        return stack.pop();
    }

    // 判断是否为操作符
    public boolean isOperation(String s) {
        if (s.equals("+") || s.equals("-") || s.equals("*") || s.equals("/")) {
            return true;
        }
        return false;
    }
}

3.4 出栈入栈次序匹配

题目链接： 出入栈次序匹配
题目要求： 给定pushV数组，表示入栈的顺序，判断popV数组是否可能为出栈的顺序
解题思路： 申请一个栈，遍历pushV数组，同时定义下标j用于遍历popV数组，依次将pushV的元素入栈，每入栈一个元素，判断该元素是否与popV的元素相等，如果相等，弹出栈顶元素，j++，否则pushV继续入栈，如果popV的元素一直与栈顶元素相等，则一直出栈，当遍历完pushV数组后，栈此时为空说明次序匹配，如果不为空说明不匹配。

代码：

java 复制代码 
    public boolean IsPopOrder(int[] pushV, int[] popV) {
        // write code here
        Stack<Integer> stack = new Stack<>();
        int j = 0;//遍历popv
        for (int i = 0; i < pushV.length; i++) {
            stack.push(pushV[i]);//先入栈,再判断
            while (j < popV.length && !stack.empty() && popV[j] == stack.peek()) {
                //j不能越界,并且栈不为空
                stack.pop();
                j++;
            }
        }
        return stack.empty();//判断最后的栈是不是空
    }

3.4 最小栈


题目链接： 最小栈
题目要求： 设计一个支持插入(push)、删除(pop)、获取栈顶元素(top)、getMin获取栈中最小元素，getMin的时间复杂度为O(1)
解题思路： 创建两个栈，一个为普通的栈，另一个为最小栈，最小栈的栈顶元素既为普通栈的最小值。入栈： 普通栈正常入栈，最小栈需判断入栈的值是否比最小栈的栈顶元素小，如果小于或者等于则入栈(如果最小栈为空则直接入栈)。出栈： 判断普通栈出栈的元素是否与最小栈的栈顶元素相等，如果相等最小栈也要出栈
代码：

java 复制代码 
class MinStack {

    public Stack<Integer> stack;
    public Stack<Integer> Min;

    public MinStack() {
        stack = new Stack<>();
        Min = new Stack<>();
    }

    public void push(int val) {
        stack.push(val);
        if (Min.empty() || val <= Min.peek()) {
            Min.push(val);
        }
    }

    public void pop() {
        if (Min.peek().equals(stack.peek())) {
            Min.pop();
            stack.pop();
        } else {
            stack.pop();
        }
    }

    public int top() {
        if (stack.empty()) {
            return -1;
        }
        return stack.peek();
    }

    public int getMin() {
        return Min.peek();
    }
}

今天的内容就到这里，感谢老铁们的点赞、收藏、评论~❤

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