栈的全面解析：ADT、实现与应用
一、栈的基础概念与ADT
栈是一种先进后出（FILO, First In Last Out）的线性数据结构，它就像现实生活中堆叠的盘子，只能从顶部添加或移除元素。在计算机科学中，栈的"栈顶"是唯一可操作的位置，而"栈底"固定不动。
作为抽象数据类型（ADT），栈提供了一组标准操作：
- push：向栈顶添加元素
- pop：移除并返回栈顶元素
- peek：查看栈顶元素但不移除
- isEmpty：判断栈是否为空
- size：获取栈中元素数量
这些操作确保了栈的"后进先出"特性，使其在程序执行、表达式求值、括号匹配等场景中发挥着关键作用。
二、数组实现栈
数组是开箱即用的线性数据结构。在JavaScript中数组的相关操作：
// 在JavaScript数组的相关操作
const arr = [1,2,3];
arr.push(4); // 尾部添加
arr.unshift(0); // 头部添加
console.log(arr); // [0,1,2,3,4]
arr.pop(); // 弹出尾部元素
arr.shift(); // 弹出头部元素
console.log(arr); // [1,2,3]在用数组实现栈之前我们先了解以下知识：
ES6引入的class语法为实现栈提供了优雅的解决方案。通过class，我们可以创建一个类模板，封装栈的所有属性和方法。
es6引入的constructor（构造方法）------ 它是 ES6 class 中唯一用于初始化实例的特殊方法 ，当通过 new 关键字创建类的实例时，constructor 会自动执行 ，核心作用是初始化实例的属性（尤其是私有属性，如下面代码中的#stack）。
es6 中，get 和 set 是用于定义访问器属性（Accessor Property） 的语法，访问器属性不直接存储值，而是通过函数拦截对属性的读取（get） 和赋值（set） 操作，隐藏内部状态（封装性），从而实现对属性访问的精细化控制。
数组实现栈代码
// 数组来实现stack
class ArrayStack {
#stack;
constructor() {
this.#stack = [];
}
get size() {
return this.#stack.length;
}
isEmpty() {
return this.size === 0;
}
push(num) {
this.#stack.push(num);
}
pop() {
if(this.isEmpty()) throw new Error("栈为空");
return this.#stack.pop();
}
peek() {
if(this.isEmpty()) throw new Error("栈为空");
return this.#stack[this.size -1];
}
toArray() {
return this.#stack;
}
}代码相关解释：
- 该类基于数组实现了栈的核心功能：入栈（push）、出栈（pop）、查看栈顶（peek）、获取大小（size）、判断为空（isEmpty）；
#stack：ES6 新增的私有字段（Private Field） ，前缀#表示该属性只能在类内部访问 / 修改，外部无法直接操作（比如stack.#stack会报错），保证了栈的封装性（避免外部随意修改栈的底层数据）；constructor()：类的构造函数，创建ArrayStack实例时自动执行。初始化私有属性#stack为一个空数组，作为栈的底层存储结构 （数组的 "末尾" 对应栈的 "栈顶"，因为数组的push/pop操作时间复杂度为 O (1)，效率最高）。
数组实现的栈非常直观，利用了JavaScript数组的push和pop方法，实现了栈的核心功能。
三、链表实现栈
链表实现栈需要自定义节点和栈结构。
链表实现栈代码
// 链表来实现栈
class ListNode {
constructor(val) {
this.val = val;
this.next = null; // 离散存储
}
}
class LinkedListStack {
#stackPeek;
#size = 0;
constructor() {
this.#stackPeek = null;
}
push(num) {
const node = new ListNode(num);
node.next = this.#stackPeek;
this.#stackPeek = node;
this.#size++;
}
pop() {
const num = this.peek();
this.#stackPeek = this.#stackPeek.next;
this.#size--;
return num;
}
peek() {
if (!this.#stackPeek) {
throw new Error('栈为空');
}
return this.#stackPeek.val;
}
get size() {
return this.#size;
}
isEmpty() {
return this.size === 0;
}
}代码相关解释：
-
采用单向链表实现栈，核心逻辑是将链表头节点作为栈顶 ------ 链表头增删节点仅需修改指针（时间复杂度 O (1)），完美适配栈 "后进先出（LIFO）" 的核心操作要求。
-
节点类（ListNode）作用：定义无序列表的最小存储单元，
val存储栈元素值，next仅用于关联后继节点（离散存储），无任何排序相关逻辑，是实现无序列表的基础。 -
入栈方法（push）：创建新节点→新节点
next指向原栈顶→更新栈顶指针为新节点→栈大小 + 1，全程仅修改指针，无遍历操作，效率 O (1)。 -
出栈方法（pop）：复用
peek完成空栈校验和栈顶值获取→栈顶指针后移（原栈顶节点被垃圾回收）→栈大小 - 1→返回栈顶值，效率 O (1)。 -
栈顶查看方法（peek）：先校验栈是否为空（空栈抛错），再返回栈顶节点的
val值（仅读取，不修改栈结构），对外屏蔽无序列表的底层细节。 -
辅助属性 / 方法：
size：通过 ES6 访问器属性（get）定义为只读属性，外部可获取但无法赋值篡改；isEmpty：基于size判断栈是否为空，语义清晰且无需重复编写空栈校验逻辑。
链表实现栈的关键在于使用#stackPeek作为栈顶指针，通过链表的链接关系实现栈的操作。
四、数组与链表实现栈的优缺点比较
时间效率
数组实现：
- 入栈和出栈操作在尾部进行，时间复杂度为O(1)
- 当数组容量不足时，触发扩容（复制所有元素到新数组），时间复杂度为O(n)
- 但扩容是低频操作，平均时间复杂度仍为O(1)
链表实现：
- 入栈操作需要创建新节点，时间复杂度为O(1)
- 无需扩容，始终能保持O(1)的时间复杂度
- 但链表节点需要额外操作（指针设置），在入栈时略慢于数组
空间效率
数组实现：
- 可能造成空间浪费（如分配了100个元素空间，但只使用了50个）
- 但内存是连续的，缓存命中率高，访问效率更好
链表实现：
- 每个节点需要额外空间存储指针（next引用）
- 内存不连续，缓存命中率较低
- 但不会造成空间浪费，空间利用率更高
五、栈的实践：括号匹配问题
栈在括号匹配问题中展现出了其独特优势。这个问题要求判断字符串中的括号是否正确闭合。
const leftToRight = {
"(":")",
"[":"]",
"{":"}",
}
const isValid = function(s) {
if(!s) return true;
const stack = []; // 栈
const len = s.length; // 缓存长度
for(let i = 0;i < len;i++) {
const ch = s[i];
if(ch === "(" || ch === "[" || ch === "{") {
stack.push(leftToRight[ch]);
} else {
if(!stack.length || stack.pop() != ch) {
return false;
}
}
}
return stack.length === 0;
}这个实现利用了栈的FILO特性：
- 遇到左括号时，将对应的右括号压入栈
- 遇到右括号时，弹出栈顶元素进行匹配
- 最终栈为空表示所有括号都正确闭合
例如，对于字符串"({[]})"：
(→ 压入){→ 压入}[→ 压入]]→ 弹出]，匹配}→ 弹出}，匹配)→ 弹出)，匹配- 栈为空，返回
true
六、总结
栈作为计算机科学中最基础、最常用的数据结构之一，其简洁性和高效性使其成为解决许多编程问题的首选工具。通过ES6的类特性，我们可以更清晰、更安全地实现栈，同时理解其背后的原理和适用场景。
在实际应用中，根据具体需求选择数组或链表实现栈：
- 数组实现：适合数据量相对稳定、对性能要求高且内存空间有限的场景
- 链表实现：适合数据量不确定、需要频繁动态扩展的场景
栈的实践应用远不止括号匹配问题，它在函数调用栈、表达式求值、浏览器历史记录管理等众多领域都有广泛应用。理解栈的本质------"后进先出"的特性，以及如何在不同场景下选择合适的实现方式，将使你在编程中更加得心应手。