Java数据结构与算法分析 | 栈
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本文源码：https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/tree/main/java-data-structures
1. 栈（Stack）
栈又叫堆栈，是一种运算受限制的线性表，限定只能在一端进行插入和删除操作，该端称为栈顶（Top），相对的另一端叫栈底（Bottom）。
根据栈的定义可知，最先进入栈的元素在栈底，最后进入栈的元素在栈顶。而删除元素刚好相反，即删除顺序从栈顶到栈底
对栈的操作只有两种：
- 入栈（push）：又叫进栈或压栈，即向栈插入一条新的元素，该元素为新的栈顶元素。
- 出栈（pop）：又叫退栈，即从栈顶删除（取出）最后入栈的元素，而其相邻元素成为新的栈顶元素。
栈的模型.jpg
栈是一个先进后出（FILO - First In Last Out）的有序列表。在上图中描述了栈的模型，我们对栈的操作只有push和pop，栈顶元素是该栈唯一可见的元素。
2. 代码实现
由于栈是一个表，因此任何实现表的方法都能实现栈。显然我们之前用到的《 数组 》和《 链表 》都可以实现栈。下面代码是使用数组实现的一个栈。
size表示栈内元素的大小，栈顶元素为 elementData[size - 1]，栈底元素为 elementData[0]。入栈时执行 size++，出站时执行 size--
public class StackDemo {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("-------------------入站");
Stack<String> stack = new Stack<>(10);
stack.push("a");
stack.push("b");
stack.push("c");
stack.push("d");
stack.push("e");
stack.print();
System.out.println("元素大小: " + stack.size());
System.out.println("栈容量: " + stack.capacity());
System.out.println("-------------------出站");
System.out.println("出站元素: " + stack.pop());
System.out.println("出站元素: " + stack.pop());
stack.print();
System.out.println("元素大小: " + stack.size());
System.out.println("栈容量: " + stack.capacity());
}
private static class Stack<E> {
private int size; // 元素大小
private final int capacity; // 栈的容量
transient Object[] elementData; // 元素数据
public Stack(int capacity) {
if (capacity <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("Illegal Capacity: " + capacity);
} else {
this.capacity = capacity;
elementData = new Object[capacity];
}
}
/**
* 获取栈的元素大小
*
* @return
*/
public int size() {
return size;
}
/**
* 获取栈的容量
*
* @return
*/
public int capacity() {
return capacity;
}
/**
* 入栈
*
* @param e
* @return
*/
public boolean push(E e) {
if (size >= capacity) {
return false;
}
elementData[size++] = e;
return true;
}
/**
* 出栈
*
* @return
*/
public E pop() {
if (size <= 0) {
return null;
}
return (E) elementData[--size];
}
/**
* 打印元素数据
*/
public void print() {
System.out.print("站内元素: ");
for (int i = 0; i < size; i++) {
System.out.printf("%s\t", elementData[i]);
}
System.out.println();
}
}
}
输出结果：
-------------------入站
站内元素: a b c d e
元素大小: 5
栈容量: 10
-------------------出站
出站元素: e
出站元素: d
站内元素: a b c
元素大小: 3
栈容量: 10
3. 栈的应用 - 平衡符号
编译器检查程序的语法错误时，常常会因为缺少一个符号（如遗漏一个花括号等）引起编译器上列出上百行的诊断，而真正的错误并没有找出。在这种情况下，如果能有一个工具能够检测括号必须成对出现那就好了，这便可以使用栈进行解决。
下面代码使用了Java自带的Stack类进行实现。字符串[ ( ) ]是合法的，而[ ( ] )是错误的。
代码实现：
public class StackDemoBalancedChar {
public static void main(String[] args) {
BalancedChar balancedChar = new BalancedChar();
String str = "[()][{}][][((()))]";
boolean ok = balancedChar.isOk(str);
System.out.printf("字符串：%s\t----> %s", str, ok);
}
private static class BalancedChar {
private final char[] openArray = {'(', '[', '{'}; // 左括号
private final char[] closeArray = {')', ']', '}'}; // 右括号
/**
* 判断字符串是否正确
*
* @param str
* @return
*/
public boolean isOk(String str) {
// 使用 Java 自带的 Stack 类
Stack<Character> stack = new Stack<>();
boolean ok = true; // 判断字符串是否正确
for (char c : str.toCharArray()) {
// 若不是平衡符则忽略
if (!isBalancedChar(c)) {
continue;
}
// 如果是左括号，则入栈
if (isOpen(c)) {
stack.push(c);
continue;
}
// 如果是右括号，而栈为空则报错
if (stack.empty()) {
ok = false;
break;
}
// 如果是右括号，从栈中取出一个元素，并与当前元素判断是否是一对，若不是一对则报错
Character open = stack.pop();
if (!isTwain(open, c)) {
ok = false;
}
}
return ok && stack.empty();
}
/**
* 是否为左括号
*
* @param c
* @return
*/
public boolean isOpen(char c) {
return inArray(openArray, c);
}
/**
* 是否为右括号
*
* @param c
* @return
*/
public boolean isClose(char c) {
return inArray(closeArray, c);
}
/**
* 是否是平衡符
*/
public boolean isBalancedChar(char c) {
return isOpen(c) || isClose(c);
}
/**
* 是否在数组中
*
* @param charArray
* @param c
* @return
*/
public boolean inArray(char[] charArray, char c) {
for (char c1 : charArray) {
if (c1 == c) {
return true;
}
}
return false;
}
/**
* 是否一对平衡符
*
* @param open
* @param close
* @return
*/
public boolean isTwain(char open, char close) {
switch (open) {
case '(':
if (close == ')') {
return true;
}
case '[':
if (close == ']') {
return true;
}
case '{':
if (close == '}') {
return true;
}
default:
return false;
}
}
}
}
输出结果：
字符串：[()][{}][][((()))] ----> true
