數據結構之棧（以字符反轉和分隔符匹配爲例子）

我是野豬。

棧的概念：棧作爲一種數據結構，是一種只能在一端插入和刪除操作的特殊線性表。它按照新進後出的原則存儲數據，先進入的數據被壓入棧底，最後的數據在棧頂，需要讀數據的時候從棧頂開始彈數據。

關鍵點：1.先入後出  2.訪問限制，在特定的時刻，只允許一個元素被讀取或刪除（棧頂的元素）。3.棧操作：棧空、棧滿、彈棧、入棧等

棧相關知識：

1.數據結構棧和隊列更多的是作爲程序員的工具來運用。他們主要作爲構思算法的輔助工具，而不是完全的數據存儲工具。這些數據結構的生命週期比那些數據庫類型的結構要短暫的多。在程序執行期間他們才被創建，通常用他們去執行某項特殊的任務，當任務完成之後，他們就被銷燬。

2.棧的主要機制可以通過數組來實現，也可以通過鏈表來實現。優先級隊列的內部實現可以通過數組或堆來實現。

3.實際計算機系統中，大部分微處理器運用棧的體系結構。棧在程序的運行中有舉足輕重的作用。最重要的是棧保存了一個函數調用時所需要的維護信息，這常常稱之爲堆棧幀。堆棧幀一般包含下面幾個信息：①函數的返回地址和參數 ②臨時變量：包含函數的非靜態局部變量以及編譯器自動生成的其他臨時變量。當調用一個方法時，把他的返回地址和參數壓入棧，當方法結束返回時，那些數據出棧。棧操作就嵌入在微處理器中。

4.棧通常很小，是臨時的數據結構。

爲了更好理解數據結構棧，我們根據棧的屬性，編寫自己的棧，並且根據棧先入後出的原則實現了兩個最基本的例子：字符串反轉和分隔符匹配問題。

根據性質編寫自己的棧：

/**
 * 創建一個自己的棧
 * 1.先入後出的原則
 * 2.訪問權限  在特定時刻只有一個數據項可以讀取或者被刪除  只能操作位於棧頂的元素
 * 組織數據的方式 入棧 出棧 棧空 棧滿
 */

public class YezhuStack {

    //類型爲Object的數組
    private final Object[] oStack;

    //數組的長度
    private int size;

    //棧頂標誌
    private int top = -1;

    public YezhuStack(int max) {
        this.size = max;
        oStack = new Object[max];
    }

    /**
     * 入棧
     * 先判斷是不是棧滿的
     *
     * @param object
     */
    public void push(Object object) {
        if (!isFull()) {
            oStack[++top] = object;
        } else {
            throw new IndexOutOfBoundsException("the stack is full");
        }
    }

    /**
     * 棧滿否
     *
     * @return
     */
    private boolean isFull() {
        return top == size - 1;
    }

    /**
     * 出棧
     * 出棧先判斷棧是不是爲空
     * 訪問權限：在特定時刻只有一個數據項被允許讀取或刪除
     *
     * @return
     */
    public Object pop() {
        if (!isEmpty()) {
            return oStack[top--];
        } else {
            throw new IndexOutOfBoundsException("the stack is empty");
        }
    }

    /**
     * 棧是不是空
     *
     * @return
     */
    public boolean isEmpty() {
        return top == -1;
    }


    /**
     * 查看棧頂的元素
     */
    public Object peek() {
        if (!isEmpty()) {
            return oStack[top];
        } else {
            throw new IndexOutOfBoundsException("the stack is empty");
        }
    }
}

注意點：初始值top=-1，是根據代碼做的修改。push時oStack[++top]，++top =>先+1後賦值；pop時，oStack[top--]，top-- => 先賦值後-1；還有判斷棧是否爲空，條件是top==-1而不是size=0，因爲一開始初始化的時候根據要操作的數據的長度創建的棧，而在壓棧和彈棧期間，其size並沒有變化。

例子1：字符串反轉；字符串反轉就是輸入一字符串，把字符串中的一個個元素從頭壓入棧，然後彈出棧時就是倒序。

/**
 * 測試字符串反轉
 */

public class ReverseStrTest {
    private static YezhuStack yezhuStack;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("please import str:");
        InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(System.in);
        BufferedReader br = new BufferedReader(inputStreamReader);
        String str = br.readLine();

        System.out.println("print reversed str:" + reverseStr(str));

    }

    /**
     * 字符串反轉後
     *
     * @param str
     */
    private static String reverseStr(String str) {
        String out = "";

        if (str != null) {
            yezhuStack = new YezhuStack(str.length());
        }

        //1.字符串放入棧中
        for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
            yezhuStack.push(str.charAt(i));
        }

        //2.棧直接輸出即可
        for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
            out = out + yezhuStack.pop();
        }
        return out;
    }
}

運行效果：

例子2：分隔符匹配；分隔符匹配程序從字符串中不斷的讀取字符，每次讀取一個字符。若發現他是左分隔符，將他壓入棧。當從輸入中讀取一個右分隔符，彈出棧頂的左分隔符，並且查看是否和右分隔符相匹配。比如eclipes編譯器，當你少一個“}”時，會報錯，其原理就是如此。

/**
 * 分隔符匹配問題
 * 用棧結構模擬的分隔符匹配；
 * 編譯器報錯的 比如當少{[(   )]} 左分隔符 壓入棧，遇到右分隔符時 與棧頂元素進行匹配， 不匹配則編譯器報錯
 */

public class SeparatorMatchTest {
    private static YezhuStack yezhuStack;

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        System.out.println("please import str:");
        InputStreamReader inputStreamReader = new InputStreamReader(System.in);
        BufferedReader br = new BufferedReader(inputStreamReader);
        String str = br.readLine();

        checkSeparator(str);

    }

    /**
     * 檢查輸入的字符串
     *
     * @param str
     */
    private static void checkSeparator(String str) {

        if (str != null) {
            yezhuStack = new YezhuStack(str.length());
        }

        //1.整個字符串中遇到左匹配符號就入棧 因此循環入棧的時候要匹配條件
        for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
            char ch = str.charAt(i);
            switch (ch) {
                case '{':
                case '(':
                case '[':
                    //以上是左匹配符 遇到左匹配符入棧
                    yezhuStack.push(ch);
                    break;
                case '}':
                case ')':
                case ']':
                    //遇到右匹配符然後出棧 做對比
                    if (!yezhuStack.isEmpty()) {
                        char chRight = (char) yezhuStack.pop();
                        if ((ch == '}' && chRight != '{')
                                || (ch == '(' && chRight != ')')
                                || (ch == ']' && chRight != '[')) {
                            //ch是循環拿字符串中匹配符 chRight是棧中的左匹配符
                            System.out.println("Error: " + ch + " at " + i);
                        }
                    }
                    break;
                default:
                    break;

            }

        }

        //最後做一次判斷 正常來說要是左右分隔符能全部匹配成功的話 此時棧中已經空了 如果不爲空 說明右分隔符少了
        if (!yezhuStack.isEmpty()) {
            System.out.println("輸入含有左右分隔符的字符串缺少右分隔符");
        }
    }
}

運行效果：

以上就是兩個基本使用棧的例子,如果有問題可以私信我。

補充在java基礎講過的棧和堆內存的概念：

1.棧內存用來存儲局部變量和方法調用，堆內存用來存儲java中new出來的對象。

2.棧內存屬於單個線程，每個線程都會有一個棧內存，其存儲的變量只能在其所屬線程中可見；而堆內存中的對象對所有線程可見，可以被所有線程訪問。