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数据结构基础02:栈

开发技术 开发技术 3小时前 1次浏览

栈的应用

栈是一种线性结构,只能从一端添加元素(入栈),也只能从一端取出元素(出栈),这一端称为栈顶

后进先出(Last In First Out)

编辑器:撤销操作
操作系统:系统调用栈
编译器:括号匹配

数组栈的实现

栈和队列的底层有多种实现的方式,用数组实现是其中一种

push()、pop()、peek()、getSize()、isEmpty()方法就足够操作栈了

public class Algorithm {

    public static void main(String[] args) {

        ArrayStack<Integer> stack = new ArrayStack<>(20);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            stack.push(i);
            System.out.println(stack);
        }

        System.out.println(stack.getSize());
        System.out.println(stack.peek());
        System.out.println(stack);

        stack.pop();
        System.out.println(stack);

        System.out.println(stack.isEmpty());
    }
}

/**
 * 创建栈接口,定义抽象方法
 */
interface Stack<E> {

    int getSize();
    boolean isEmpty();
    void push(E element);
    E pop();
    E peek();
}

/**
 * 实现栈接口,创建数组栈类
 */
class ArrayStack<E> implements Stack<E>{

    /**
     * 使用动态数组实现栈
     */
    Array<E> array;

    public ArrayStack(int capacity){

        array = new Array<>(capacity);
    }

    public ArrayStack(){

        array = new Array<>();
    }

    /**
     * 重写栈接口的方法
     */
    @Override
    public int getSize() {

        return array.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {

        return array.isEmpty();
    }

    @Override
    public void push(E element) {

        array.addLast(element);
    }

    @Override
    public E pop() {

        return array.removeLast();
    }

    /**
     * peek()方法只能查看栈顶元素,下面的元素是无法查看的
     */
    @Override
    public E peek() {

        return array.getLast();
    }

    /**
     * 重写toString()方法打印栈的信息,如果调用array.toString()方法,打印的是动态数组的信息
     */
    @Override
    public String toString() {

        StringBuilder str = new StringBuilder();

        str.append("Stack: [");

        for (int i = 0; i < array.getSize(); i++) {

            str.append(array.get(i));

            if (i != array.getSize() - 1){
                str.append(", ");
            }
        }
        str.append("] top");

        return str.toString();
    }
}

class Array<E> {

    private E[] data;
    private int size;

    public Array(int capacity){

        data = (E[]) new Object[capacity];
        size = 0;
    }

    public Array(){

        this(10);
    }

    public void add(int index, E element){

        if (index < 0 || index > size){
            throw new IllegalArgumentException("索引值非法");
        }

        if (size == data.length){
            resize(2 * data.length);
        }

        for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
            data[i + 1] = data[i];
        }

        data[index] = element;
        size++;
    }

    public void addLast(E element){

        add(size, element);
    }

    public void remove(int index){

        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IllegalArgumentException("索引值非法");
        }

        for (int i = index; i < size - 1; i++) {
            data[i] = data[i + 1];
        }

        size--;
        data[size] = null;

        if (size == data.length / 2 && data.length / 2 != 0){
            resize(data.length / 2);
        }
    }

    public E removeLast(){

        if (size == 0) {
            throw new IllegalArgumentException("索引值非法");
        }

        E tem = data[size - 1];

        remove(size - 1);

        return tem;
    }

    public int getSize(){

        return size;
    }

    public E get(int index){

        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IllegalArgumentException("索引值非法");
        }

        return data[index];
    }

    public E getLast(){

        return get(size - 1);
    }

    private void resize(int newCapacity){

        E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity];

        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newData[i] = data[i];
        }

        data = newData;
    }

    public boolean isEmpty(){

        return size == 0;
    }

    @Override
    public String toString() {

        StringBuilder str = new StringBuilder();

        str.append(String.format("数组的容量为%d,元素个数为%dn", data.length, size));
        str.append("[");

        for (int i = 0; i < size; i++) {

            str.append(data[i]);
            if (i != size - 1){
                str.append(", ");
            }
        }

        str.append("]");

        return str.toString();
    }
}

栈的复杂度分析

peek()、getSize()、isEmpty()方法的时间复杂度为O(1)

push()、pop()方法的均摊复杂度为O(1)

栈的应用——括号匹配

import java.util.Scanner;
import java.util.Stack;

public class Algorithm {

    public static void main(String[] args) {

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        System.out.println(new Algorithm().isValid(scanner.nextLine()));
    }

    public boolean isValid(String s) {

        /**
     	 * 导入Java的栈包
    	 */
        Stack<Character> stack = new Stack<>();

        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {

            char c = s.charAt(i);

            /**
     		 * 左括号就进栈
    		 */
            if (c == '(' || c == '[' || c == '{') {
                stack.push(c);
            }

            else {
                
                /**
     		     * 刚开始栈不能为空
    			 */
                if (stack.isEmpty()) {
                    return false;
                }

                char top = stack.pop();

                if (c == ')' && top != '(') {
                    return false;
                }

                if (c == ']' && top != '[') {
                    return false;
                }

                if (c == '}' && top != '{') {
                    return false;
                }
            }
        }
        
        /**
         * 不能直接return true,因为有可能剩下的都是左括号
         * 只有栈为空了,才说明所有括号都匹配成功了
    	 */
        return stack.isEmpty();
    }
}

程序员灯塔
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