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Java中的Stack（栈）（如果想知道Java中有关Stack的知识点，那么只看这一篇就足够了！）
2024-07-16 20:00:08基础资料围观169次
前言：栈（Stack）是一种基础且重要的数据结构，以其后进先出（LIFO, Last In First Out）的特性广泛应用于计算机科学和编程中。
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先让我们看一下本文大致的讲解内容：
目录
1.栈的初识
在开始学习使用栈之前，先让我们来了解一下什么是栈：
栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。
栈的主要特性包括：
- 后进先出（LIFO）：最新压入栈的数据最先被弹出。
- 栈顶操作：所有的插入（push）和删除（pop）操作都只能在栈顶进行。
如果使用我们日常生活中的案例来解释的话，就如同子弹弹夹，先装入的子弹后被打出，后装入的子弹，先被打出：
将其转换为编程语言图像（如图）：
其中：
——压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶。
——出栈：栈的删除操作叫做出栈。出数据在栈顶。
通过上述的讲解，这样我们就大致的了解了什么是栈（Stack）了！
2.栈的自我实现
学习完了什么是栈之后，然我们试试能不能使用已有的知识体系来实现栈，在Java中自我实现栈的方式大致有两种：使用数组实现与使用链表实现。
（1）数组实现：
public class ArrayStack {
public int[] stack; // 用于存储栈元素的数组
public int top; // 栈顶索引
public ArrayStack(int size) {
stack = new int[size]; // 初始化数组大小
top = -1; // 初始化栈顶索引为-1，表示栈为空
}
// 将元素压入栈顶
public void push(int value) {
if (top == stack.length - 1) {
throw new StackOverflowError("Stack is full"); // 如果栈已满，抛出异常
}
stack[++top] = value; // 将元素压入栈顶，并更新栈顶索引
}
// 弹出栈顶元素
public int pop() {
if (top == -1) {
throw new EmptyStackException(); // 如果栈为空，抛出异常
}
return stack[top--]; // 返回栈顶元素，并更新栈顶索引
}
// 返回栈顶元素但不弹出
public int peek() {
if (top == -1) {
throw new EmptyStackException(); // 如果栈为空，抛出异常
}
return stack[top]; // 返回栈顶元素
}
// 检查栈是否为空
public boolean isEmpty() {
return top == -1; // 如果栈顶索引为-1，表示栈为空
}
}
现在我们再回顾一下上述代码的逻辑：
1. 首先先定义了一个基于数组实现的栈类 ArrayStack。它包含一个用于存储栈元素的数组 stack 和一个指示栈顶位置的变量 top。
2. 然后使用构造方法 ArrayStack(int size) 来初始化栈的大小，并将 top 设置为 -1。
3. push(int value) 方法将元素压入栈顶，如果栈满则抛出 StackOverflowError。pop() 方法弹出栈顶元素，如果栈为空则抛出 EmptyStackException。peek() 方法返回栈顶元素但不弹出，如果栈为空则抛出 EmptyStackException。isEmpty() 方法检查栈是否为空。
（2）链表实现
public class DoublyLinkedListStack {
public Node head; // 链表头节点
public Node tail; // 链表尾节点
// 定义节点类
private static class Node {
int value; // 节点值
Node next; // 指向下一个节点的指针
Node prev; // 指向上一个节点的指针
Node(int value) {
this.value = value; // 初始化节点值
this.next = null; // 初始化下一个节点指针为空
this.prev = null; // 初始化前一个节点指针为空
}
}
public DoublyLinkedListStack() {
head = null; // 初始化头节点为空
tail = null; // 初始化尾节点为空
}
// 将元素压入栈顶
public void push(int value) {
Node newNode = new Node(value); // 创建新节点
if (tail == null) {
head = tail = newNode; // 如果链表为空，头尾节点都指向新节点
} else {
tail.next = newNode; // 将新节点连接到链表尾部
newNode.prev = tail; // 新节点的前驱指向当前尾节点
tail = newNode; // 更新尾节点为新节点
}
}
// 弹出栈顶元素
public int pop() {
if (tail == null) {
throw new EmptyStackException(); // 如果栈为空，抛出异常
}
int value = tail.value; // 获取尾节点的值
if (tail.prev == null) {
head = tail = null; // 如果只有一个元素，清空链表
} else {
tail = tail.prev; // 更新尾节点为前驱节点
tail.next = null; // 断开新尾节点的next指针
}
return value; // 返回弹出的值
}
// 返回栈顶元素但不弹出
public int peek() {
if (tail == null) {
throw new EmptyStackException(); // 如果栈为空，抛出异常
}
return tail.value; // 返回尾节点的值
}
// 检查栈是否为空
public boolean isEmpty() {
return tail == null; // 如果尾节点为空，栈为空
}
}
现在我们再回顾一下上述代码的逻辑：
首先我们先定义了一个基于双向链表实现的栈类 DoublyLinkedListStack。它包含头节点和尾节点，使用内部的 Node 类表示每个节点。然后我们实现了一下主要的方法包括：
-
push(int value)：将新元素压入栈顶。 -
pop()：弹出栈顶元素，如果栈为空则抛出异常。 -
peek()：返回栈顶元素但不弹出，若栈为空则抛出异常。 -
isEmpty()：检查栈是否为空，返回布尔值。
这样我们就用现有的知识体现来实现了栈（Stack）了！
3.栈中常用API
学习完了自我实现栈（Stack）之后，现在让我们看看Java中自带的Stack如何使用吧：
栈中常用的方法主要包括以下几种：
- push(E item)：将元素压入栈顶。
- pop()：移除并返回栈顶元素。
- peek()：返回栈顶元素但不移除。
- isEmpty()：检查栈是否为空。
现在让我们使用一个实例来进行讲解：
import java.util.Stack;
public class StackExample {
public static void main(String[] args) {
//创建一个栈
Stack<Integer> stack = new Stack<>();
// 压入栈顶
stack.push(1);
stack.push(2);
stack.push(3);
// 查看栈顶元素
System.out.println("栈顶元素: " + stack.peek());
// 弹出栈顶元素
System.out.println("弹出栈顶元素: " + stack.pop());
// 查看栈顶元素
System.out.println("栈顶元素: " + stack.peek());
// 检查栈是否为空
System.out.println("栈是否为空: " + stack.isEmpty());
}
}
——这样我们就大致的了解了在Java中如何去操作一个创建出来的栈了！
4.栈的应用场景
学习完栈之后，读者可能会发出疑问，栈到底有什么用处呢？栈在实际应用中有许多场景，下面列举几个典型的应用：
- 表达式求值：如中缀表达式转后缀表达式的计算。
- 函数调用：栈用于保存函数调用过程中的局部变量和返回地址。
- 括号匹配：用于检查括号是否成对匹配。
- 浏览器的前进后退：使用栈保存历史页面，以便用户前进和后退。
- 深度优先搜索（DFS）：在图或树的遍历中使用。
这里我们只举出第一个（表达式求值）来讲解（其他读者如果有兴趣进一步学习，可以自行查找学习！）
表达式求值即为：中缀表达式转换为后缀表达式（也称逆波兰表达式），以下为百度的解释：
其作用主要体现在以下几个方面：
-
简化计算：后缀表达式不需要括号，操作符和操作数的顺序明确，计算时更简单。
-
便于计算机处理：计算机处理后缀表达式更高效，避免了运算优先级的复杂性。
-
支持堆栈算法：后缀表达式可以直接使用栈来进行求值，适合实现逆波兰表示法。
-
提高表达式解析速度：在编译器和解释器中，后缀表达式有助于快速解析和执行表达式。
了解完了什么是逆波兰表达式之后，我们使用一道例题来进行讲解：
题目链接：----->. - 力扣（LeetCode）
解题的大致思路为：
import java.util.Stack;
public class PostfixEvaluation {
public static int evaluate(String expression) {
Stack<Integer> stack = new Stack<>(); // 创建一个栈用于存储操作数
// 遍历后缀表达式中的每个字符
for (char c : expression.toCharArray()) {
if (Character.isDigit(c)) {
// 如果是数字，将其压入栈中
stack.push(c - '0');
} else {
// 如果是操作符，从栈中弹出两个操作数
int b = stack.pop(); // 弹出栈顶元素作为右操作数
int a = stack.pop(); // 弹出下一个元素作为左操作数
// 根据操作符进行计算，并将结果压入栈中
switch (c) {
case '+':
stack.push(a + b);
break;
case '-':
stack.push(a - b);
break;
case '*':
stack.push(a * b);
break;
case '/':
stack.push(a / b);
break;
}
}
}
return stack.pop(); // 返回栈顶元素，即最终结果
}
public static void main(String[] args) {
String expression = "231*+9-"; // 后缀表达式示例
System.out.println("后缀表达式求值结果: " + evaluate(expression)); // 输出结果
}
}
这样我们就大致的理解了栈的用处了！
5.总结
栈是一种基础且重要的数据结构，它的后进先出特性在许多应用场景中发挥了重要作用。在Java中，栈可以通过数组和链表实现，java.util.Stack类也提供了现成的栈实现。
通过理解栈的基本概念和常用方法，以及掌握如何使用双向链表自我实现栈，我们可以在实际编程中更加灵活地运用这一数据结构。栈在表达式求值、函数调用、括号匹配、浏览器前进后退和深度优先搜索等方面都有广泛的应用，熟练掌握栈的使用将极大提高我们的编程能力。
以上就是本篇文章的全部内容了~~~
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