数据结构与算法学习笔记之后进先出的“桶”

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前言

栈最为一种的常用的数据结构,用“桶”来形容最合适不过;今天我们就来学习一下

正文

一、栈的定义?

1.“后进先出,先进后出”的数据结构。
2.从操作特性来看,是一种“操作受限”的线性表,只可以在一端插入和删除数据。

 

二、为什么需要栈?

 

1.任何数据结构都是对特定应用场景的抽象,栈是一种操作受限的数据结构,其操作特性用数组和链表均可实现,但却暴露太多的操作接口,使用时容易出错;

2.当某个数据集合只涉及在一端插入和删除数据,且满足后进者先出,先进者后出的操作特性时,我们应该首选栈这种数据结构

 

三、如何实现栈?

 栈可以用数组,链表来实现

1.以数组为例

空间复杂度为O(1)

时间复杂度大多数为O(1),特殊情况自动扩容拷贝原数组时为O(n);

均摊时间复杂度接近于O(1);

// 基于数组实现的顺序栈
public class ArrayStack {
  private String[] items;  // 数组
  private int count;       // 栈中元素个数
  private int n;           // 栈的大小

  // 初始化数组,申请一个大小为 n 的数组空间
  public ArrayStack(int n) {
    this.items = new String[n];
    this.n = n;
    this.count = 0;
  }

  // 入栈操作
  public boolean push(String item) {
    // 数组空间不够了,直接返回 false,入栈失败。
    if (count == n) return false;
    // 将 item 放到下标为 count 的位置,并且 count 加一
    items[count] = item;
    ++count;
    return true;
  }
  
  // 出栈操作
  public String pop() {
    // 栈为空,则直接返回 null
    if (count == 0) return null;
    // 返回下标为 count-1 的数组元素,并且栈中元素个数 count 减一
    String tmp = items[count-1];
    --count;
    return tmp;
  }
}

 (代码来自于网络,如有侵权请告知我删除)

2.以链表为例(网上找的)

空间复杂度为O(1)

时间复杂度大多数为O(1)

public class StackOfLinked<Item> implements Iterable<Item> {
//定义一个内部类,就可以直接使用类型参数
private class Node{
Item item;
Node next;
}
private Node first;
private int N;
//构造器
public StackOfLinked(){}
//添加
public void push(Item item){
Node oldfirst = first;
first = new Node();
first.item = item;
first.next = oldfirst;
N++;
}
//删除
public Item pop(){
Item item = first.item;
first = first.next;
N--;
return item;
}
//是否为空
public boolean isEmpty(){
return N == 0;
}
//元素数量
public int size(){
return N;
}
//返回栈中最近添加的元素而不删除它
public Item peek(){
return first.item;
}
@Override
public Iterator<Item> iterator() {
return new LinkedIterator();
}
//内部类:迭代器
class LinkedIterator implements Iterator{
int i = N;
Node t = first;
@Override
public boolean hasNext() {
return i > 0;
}
@Override
public Item next() {
Item item = (Item) t.item;
t = t.next;
i--;
return item;
} 
}
}

(代码来自于网络,如有侵权请告知我删除)

四、栈的应用

1.函数调用中的应用

操作系统给每个线程分配了一块独立的内存空间,这块内存被组织成“栈”这种结构,用来存储函数调用时的临时变量。每进入一个函数,就会将其中的临时变量作为栈帧入栈,当被调用函数执行完成,返回之后,将这个函数对应的栈帧出栈。

 

2.在表达式求值中的应用(比如:34+13*9+44-12/3)

利用两个栈,一个用来保存操作数,一个用来保存运算符。我们从左向右遍历表达式,当遇到数字,我们就直接压入操作数栈;当遇到运算符,就与运算符栈的栈顶元素进行比较,若比运算符栈顶元素优先级高,就将当前运算符压入栈,若比运算符栈顶元素的优先级低或者相同,从运算符栈中取出栈顶运算符,从操作数栈顶取出2个操作数,然后进行计算,把计算完的结果压入操作数栈,继续比较。

  (图片来自于王争)

3.栈在括号匹配中的应用(比如:{}{[()]()})

用栈保存为匹配的左括号,从左到右一次扫描字符串,当扫描到左括号时,则将其压入栈中;当扫描到右括号时,从栈顶取出一个左括号,如果能匹配上,则继续扫描剩下的字符串。如果扫描过程中,遇到不能配对的右括号,或者栈中没有数据,则说明为非法格式。
当所有的括号都扫描完成之后,如果栈为空,则说明字符串为合法格式;否则,说明未匹配的左括号为非法格式。

 

4.如何实现浏览器的前进后退功能?

我们使用两个栈X和Y,我们把首次浏览的页面依次压如栈X,当点击后退按钮时,再依次从栈X中出栈,并将出栈的数据一次放入Y栈。当点击前进按钮时,我们依次从栈Y中取出数据,放入栈X中。当栈X中没有数据时,说明没有页面可以继续后退浏览了。当Y栈没有数据,那就说明没有页面可以点击前进浏览了。

(图片来自于王争)

 

五、两个问题

1. 我们在讲栈的应用时,讲到用函数调用栈来保存临时变量,为什么函数调用要用“栈”来保存临时变量呢?用其他数据结构不行吗?

答:因为函数调用的执行顺序符合后进者先出,先进者后出的特点。

函数调用中经常嵌套,栗子:A调用B,B又调用C,那么就需要先把C执行完,结果赋值给B中的临时变量,B的执行结果再赋值给A的临时变量,嵌套越深的函数越需要被先执行,这样刚好符合栈的特点,因此每次遇到函数调用,只需要压栈,最后依次从栈顶弹出依次执行即可,根据数据结构是特定应用场景的抽象的原则,我们优先考虑栈结构。

 

2.我们都知道,JVM 内存管理中有个“堆栈”的概念。栈内存用来存储局部变量和方法调用,堆内存用来存储 Java 中的对象。那 JVM 里面的“栈”跟我们这里说的“栈”是不是一回事呢?如果不是,那它为什么又叫作“栈”呢?

 

答:内存中的堆栈和数据结构堆栈不是一个概念,可以说内存中的堆栈是真实存在的物理区,数据结构中的堆栈是抽象的数据存储结构。
内存空间在逻辑上分为三部分:代码区、静态数据区和动态数据区,动态数据区又分为栈区和堆区。
代码区:存储方法体的二进制代码。高级调度(作业调度)、中级调度(内存调度)、低级调度(进程调度)控制代码区执行代码的切换。
静态数据区:存储全局变量、静态变量、常量,常量包括final修饰的常量和String常量。系统自动分配和回收。
栈区:存储运行方法的形参、局部变量、返回值。由系统自动分配和回收。
堆区:new一个对象的引用或地址存储在栈区,指向该对象存储在堆区中的真实数据。

 

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以上内容为个人的学习笔记,仅作为学习交流之用。

作者:Dawnzhang 
出处:https://www.cnblogs.com/clwydjgs/p/9792256.html

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