疯狂数据结构-栈-Java

简介: 疯狂数据结构-栈-Java

概念

基本概念解读

当谈到 "栈" 时,它是一种遵循后进先出(Last In, First Out,LIFO)原则
的有序集合。这意味着最后入栈的元素首先被弹出,而最早入栈的元素最后被弹
出。
在栈中,只能对最上面的元素进行操作,其他元素都不可见,需要将上面的元素
先出栈才能访问到其他元素。


基本操作分析

栈的基本操作包括入栈(push)和出栈(pop)。入栈指的是向栈中添加一个元
素,使其成为新的栈顶;而出栈指的是移除栈顶的元素,使得下一个元素成为新
的栈顶。此外,还可以通过栈顶元素的读取(top)来查看当前栈顶的值,以及
判断栈是否为空(empty)。

基本操作总结

入栈(Push):将一个元素放入栈的顶部。
出栈(Pop):从栈的顶部移除一个元素,并将其返回。
获取栈顶元素(Top):返回栈的顶部元素,但不对栈进行修改。
判空(isEmpty):检查栈是否为空。
获取栈的大小(getSize):返回栈中元素的个数。


应用分析

实际应用分析

栈的应用相当广泛,例如函数的调用栈、浏览器的前进后退功能和计算器的后缀
表达式求值等等。在算法设计中,栈也常用于解决问题,如深度优先搜索和括号
匹配等。


实际应用场景

表达式求值:栈可用于将中缀表达式转换为后缀表达式,并对其进行求值。运算
符和操作数依次入栈,直到遇到更高优先级的运算符。这时,先前的运算符必须
先出栈。
递归算法:递归算法通常使用栈来实现,因为递归函数的调用过程本质上也是一
个栈结构,每次递归调用都会将当前函数的局部变量和返回地址保存在栈上。
浏览器历史记录:浏览器使用栈来跟踪用户访问不同网页的历史记录。每当用户
访问一个新页面时,该页面被推入栈中。通过后退操作,最近访问的页面会从栈
中弹出。
函数调用:函数调用通常使用栈来管理函数的调用顺序和返回地址。每当一个函
数被调用时,其相关信息(参数、局部变量等)会被压入栈,函数执行完成后将
被弹出。
撤销操作:编辑器、文本处理软件等应用中,栈可以用于实现撤销操作。每次对
文本进行修改时,相关的操作记录会被压入栈中,在用户需要撤销操作时,可以
从栈中弹出最近的修改记录,实现撤销功能。
浏览器的浏览历史:浏览器通过使用栈来记录用户的浏览历史。每当用户访问一
个新的网页时,该网页的 URL 被推入栈中,当用户点击“后退”按钮时,最近访
问的网页 URL 被弹出栈。
括号匹配:栈可以用于检查表达式中的括号是否匹配。遍历表达式,将左括号压
入栈中,当遇到右括号时,检查栈顶的左括号是否与之匹配,若匹配则继续。

需要注意的是,在使用栈时要避免两个常见的问题:栈上溢(stack overflow)和栈下溢(stack underflow)。栈上溢发生在尝试向已满的栈中插入元素时,而栈下溢发生在尝试从空栈中弹出元素时。


注意事项

基本注意事项

栈的初始化:在使用栈之前,需要对栈进行初始化,即为栈分配一定大小的内存
空间,并将栈的指针指向栈底。如果栈的大小事先不确定,可以动态调整栈的大
小。
入栈操作:在进行入栈操作时,需要注意判断栈是否已满。如果栈已满,则需要
进行相应的处理,如扩充栈的空间或者报错。入栈时要确保栈的指针指向栈顶,
并将要入栈的数据放入栈顶位置,同时栈顶指针要更新。
出栈操作:在进行出栈操作时,需要判断栈是否为空。如果栈为空,则需要进行
相应的处理,如报错或者返回特定的值。出栈时要确保栈的指针指向栈顶元素,
取出栈顶元素后,栈顶指针要更新。
栈的访问:栈是一种后进先出的数据结构,因此只能访问栈顶元素,无法直接访
问栈中的其他元素。如果需要访问栈中的其他元素,需要先将栈顶元素出栈,然
后再入栈其他元素,或者使用辅助栈进行操作。
栈的容量控制:由于栈的大小是有限的,对于大量数据的处理,需要合理控制栈
的容量,避免过多的数据存储在栈中,以免造成栈溢出或者浪费内存的问题。可
以根据具体需求,设定一个合适的栈的容量上限,并在入栈操作时判断栈是否超
过容量上限。
异常处理:在使用栈的过程中,可能会出现一些异常情况,如栈溢出、空栈出栈
等。需要进行异常处理,如使用try-catch语句来捕获异常并进行相应的处理。
避免程序崩溃或者逻辑错误。
内存管理:在使用栈的过程中,需要合理地管理栈的内存。当不再需要使用栈时,
需要及时释放栈所占用的内存空间,以避免内存泄漏问题。
栈的大小限制:栈的大小是有限的,具体取决于操作系统和计算机硬件的限制。
在使用栈的过程中,需要确保栈不会溢出。当递归层数过深或者栈中的数据量
过大时,可能会导致栈溢出的问题。
入栈和出栈的顺序:栈是一种遵循"先入后出"原则的数据结构,因此在进行入栈
和出栈操作时,需要确保顺序正确,否则可能会导致程序逻辑错误。
栈的线程安全性:多线程环境下,如果多个线程同时使用同一个栈,可能会导致
线程安全的问题。需要通过合适的同步机制来保证栈的操作的线程安全性,例如
使用互斥锁或者信号量等。



理论总结

总结来说,栈是一种简单而重要的数据结构,具有广泛的应用场景。掌握栈的基
本操作和实现方式对于理解和应用许多问题都非常有帮助。

代码实现

思路分析

栈的实现可以使用数组或链表等数据结构。在数组中,栈的底部通常对应数组的
起始位置,栈的顶部对应最后一个元素;而在链表中,栈的顶部对应链表的首个
元素。

常规操作

import java.util.EmptyStackException;
public class Stack {
    private int[] stackArray;
    private int top;
    private int minElement; // 记录栈的最小值
    // 构造函数,初始化栈
    public Stack(int capacity) {
        stackArray = new int[capacity];
        top = -1; // 栈顶指针初始化为-1,表示栈为空
        minElement = Integer.MAX_VALUE; // 最小值初始化为正无穷大
    }
    // 判断栈是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return top == -1;
    }
    // 判断栈是否已满
    public boolean isFull() {
        return top == stackArray.length - 1;
    }
    // 入栈操作
    public void push(int data) {
        if (isFull()) {
            throw new StackOverflowError("Stack is full");
        }
        if (data < minElement) {
            // 更新最小值
            minElement = data;
        }
        stackArray[++top] = data;
    }
    // 出栈操作
    public int pop() {
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyStackException();
        }
        int data = stackArray[top];
        if (data == minElement) {
            // 如果出栈的元素是最小值,更新最小值
            updateMinElement();
        }
        top--;
        return data;
    }
    // 获取栈顶元素
    public int top() {
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyStackException();
        }
        return stackArray[top];
    }
    // 获取栈的大小
    public int size() {
        return top + 1;
    }
    // 清空栈
    public void clear() {
        top = -1;
        minElement = Integer.MAX_VALUE;
    }
    // 获取栈的最小值
    public int getMin() {
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyStackException();
        }
        return minElement;
    }
    // 判断栈是否存在某个元素
    public boolean contains(int data) {
        for (int i = 0; i <= top; i++) {
            if (stackArray[i] == data) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
    // 更新最小值
    private void updateMinElement() {
        minElement = Integer.MAX_VALUE;
        for (int i = 0; i <= top; i++) {
            if (stackArray[i] < minElement) {
                minElement = stackArray[i];
            }
        }
    }
}
上面代码中
  获取栈的最小值的操作 getMin() 和判断栈是否存在某个元素的操作 
  contains()。在 push() 方法中,新增了对栈的最小值的更新操作,
  以便在出栈时更新最小值。在 pop() 方法中,将出栈的元素与最小值
  进行比较,如果相等,则更新最小值。 updateMinElement() 方法用
  于更新最小值,它会遍历栈中的元素以找到最小值。



实际应用

public class ArrayStack {
    private Object[] arra
   y;
    private int top;
    private int capacity;
    public ArrayStack(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.array = new Object[capacity];
        this.top = -1;
    }
    public void push(Object element) {
        if (top == capacity - 1) {
            throw new StackOverflowError("Stack is full");
        }
        top++;
        array[top] = element;
    }
    public Object pop() {
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyStackException();
        }
        Object element = array[top];
        array[top] = null;
        top--;
        return element;
    }
    public Object top() {
        if (isEmpty()) {
            throw new EmptyStackException();
        }
        return array[top];
    }
    public boolean isEmpty() {
        return top == -1;
    }
    public int getSize() {
        return top + 1;
    }
}
调用上面代码
public static void main(String[] args) {
    ArrayStack stack = new ArrayStack(3);
    stack.push("A");
    stack.push("B");
    stack.push("C");
    System.out.println("Size: " + stack.getSize()); // 输出:Size: 3
    System.out.println(stack.pop()); // 输出:C
    System.out.println(stack.top()); // 输出:B
    System.out.println(stack.isEmpty()); // 输出:false
    stack.push("D");
    System.out.println(stack.pop()); // 输出:D
    System.out.println(stack.pop()); // 输出:B
    System.out.println(stack.pop()); // 输出:A
    System.out.println(stack.isEmpty()); // 输出:true
}

这个代码演示了使用数组实现的栈的基本操作。你可以根据需要进行进一步扩展和优化,例如,使用链表实现栈,或实现其他更高级的功能。

相关文章
|
6天前
|
算法 C语言 C++
【practise】栈的压入和弹出序列
【practise】栈的压入和弹出序列
|
4天前
|
存储 设计模式 算法
JAVA中的常见数据结构
JAVA中的常见数据结构
|
4天前
栈的几个经典应用,真的绝了
文章总结了栈的几个经典应用场景,包括使用两个栈来实现队列的功能以及利用栈进行对称匹配,并通过LeetCode上的题目示例展示了栈在实际问题中的应用。
栈的几个经典应用,真的绝了
|
6天前
|
Java 索引
java中的栈(利用数组实现栈)
这篇文章通过Java代码示例介绍了如何使用数组实现栈操作,包括栈的初始化、入栈、出栈、判断栈满和空以及遍历栈的方法。
java中的栈(利用数组实现栈)
|
6天前
|
C语言
用栈实现将一个十进制数值转换成八进制数值。即用该十进制数值除以8,并保留其余数;重复此操作,直到该十进制数值为0为止。最后将所有的余数反向输出就是所对应的八进制数值
这篇文章展示了如何使用栈(包括顺序栈和链栈)实现将十进制数值转换成八进制数值的方法,通过C语言编程演示了两种栈的实现方式和使用场景。
用栈实现将一个十进制数值转换成八进制数值。即用该十进制数值除以8,并保留其余数;重复此操作,直到该十进制数值为0为止。最后将所有的余数反向输出就是所对应的八进制数值
|
1天前
|
负载均衡 网络协议 安全
DKDP用户态协议栈-kni
DKDP用户态协议栈-kni
|
1天前
|
负载均衡 网络协议 安全
DPDK用户态协议栈-KNI
DPDK用户态协议栈-KNI
|
1天前
|
测试技术
【初阶数据结构篇】栈的实现(附源码)
在每一个方法的第一排都使用assert宏来判断ps是否为空(避免使用时传入空指针,后续解引用都会报错)。
|
5天前
|
存储 网络协议 Linux
用户态协议栈06-TCP三次握手
用户态协议栈06-TCP三次握手
|
5天前
|
存储 Java
数据结构中的哈希表(java实现)利用哈希表实现学生信息的存储
这篇文章通过Java代码示例展示了如何实现哈希表,包括定义结点类、链表类、数组存储多条链表,并使用简单的散列函数处理冲突,以及如何利用哈希表存储和查询学生信息。
数据结构中的哈希表(java实现)利用哈希表实现学生信息的存储