数据结构笔记浅记(十)栈

「栈 stack」是一种遵循先入后出逻辑的线性数据结构。 我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子,如果想取出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次移走。我们将 盘子替换为各种类型的元素(如整数、字符、对象等),就得到了栈这种数据结构。

栈遵循先入后出的原则,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组和链表都可以在任意位置添加和删除元素,因此栈可以视为一种受限制的数组或链表。

 

基于链表的实现

使用链表实现栈时,我们可以将链表的头节点视为栈顶,尾节点视为栈底。 对于入栈操作,我们只需将元素插入链表头部,这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于 出栈操作,只需将头节点从链表中删除即可。

 

基于数组的实现

使用数组实现栈时,我们可以将数组的尾部作为栈顶。入栈与出栈操作分别对应在数组尾部 添加元素与删除元素,时间复杂度都为 𝑂(1) 。

 

两种实现对比

支持操作:两种实现都支持栈定义中的各项操作。数组实现额外支持随机访问,但这已超出了栈的定义范畴,因此一般 不会用到。

时间效率:在基于数组的实现中,入栈和出栈操作都在预先分配好的连续内存中进行,具有很好的缓存本地性,因此效率较高。然而,如果入栈时超出数组容量,会触发扩容机制,导致该次入栈操作的时间复杂度变为 𝑂(𝑛) 。 在基于链表的实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是,入栈操作需要 初始化节点对象并修改指针,因此效率相对较低。不过,如果入栈元素本身就是节点对象,那么可以省去初 始化步骤,从而提高效率。

         综上所述,当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型时,例如 int 或 double ,我们可以得出以下结论。

                ‧ 基于数组实现的栈在触发扩容时效率会降低,但由于扩容是低频操作,因此平均效率更高。

                ‧ 基于链表实现的栈可以提供更加稳定的效率表现。

空间效率:在初始化列表时,系统会为列表分配“初始容量”,该容量可能超出实际需求;并且,扩容机制通常是按照特 定倍率(例如 2 倍)进行扩容的,扩容后的容量也可能超出实际需求。因此,基于数组实现的栈可能造成一 定的空间浪费。 然而,由于链表节点需要额外存储指针,因此链表节点占用的空间相对较大。 综上,我们不能简单地确定哪种实现更加节省内存,需要针对具体情况进行分析。

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