栈

栈
1.栈抽象数据结构
2.顺序栈
3.链式栈
4.栈的应用
- 4.1 栈嵌套调用机制的实现基础
- 4.2 使用栈以非递归方式实现递归算法

1.栈抽象数据结构

**栈(stack)**是一种特殊的线性表，插入和删除操作只能在线性表的一端进行，因此栈也被称为后进先出表。允许操作的一端被称为栈顶(top), 不允许操作的一端称为栈底(bottom)。栈中插入元素的操作称为入栈(push)，删除元素的操作称为出栈(pop)，没有元素的栈称为空栈。

根据上面描述栈的特点，创建栈抽象数据类型接口SStack.class，代码如下：

public interface SStack<T>{
    boolean isEmpty();
    void push();
    T pop();
    T get();
}

2.顺序栈

采用顺序存储结构的栈被称为顺序栈，顺序栈操作数据如图所示：

根据栈的接口，实现顺序栈的代码如下：

public class SeqStack<T> implements SStack<T> {
    /**
     * 创建栈元素存储数组
     */
    private Object[] element;

    /**
     *  栈顶元素的下标
     */
    private int top;

    /**
     * 构造栈容器容量
     * @param size 容量
     */
    public SeqStack(int size) {
        this.element = new Object[Math.abs(size)];
        this.top = -1;
    }

    public SeqStack() {
        this(64);
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return top == -1;
    }

    @Override
    public void push(T t) {
        if (t == null){
            return;
        }
        //如果栈满了，将栈容量扩容两倍
        if (this.top == element.length-1){
            Object[] tmp = this.element;
            //扩容
            this.element = new Object[tmp.length*2];
            for (int i = 0; i < tmp.length; i++) {
                //复制元素
                this.element[i] = tmp[i];
            }
        }
        this.top++;
        this.element[this.top] = t;
    }

    @Override
    public T pop() {
        return this.top==-1?null: (T) this.element[this.top--];
    }

    @Override
    public T get() {
        return this.top == -1?null: (T) this.element[this.top];
    }
}

由于栈只能在栈顶位置进行插入、删除操作，所以 push(T t)、pop()、 get()方法的时间复杂度为 $O(1)$ ，当容器需要扩容时push(T t)的时间复杂度为 $O(n)$

3.链式栈

采用链式存储结构的栈称为链式栈。链式栈使用单链表即可，不需要使用循环链表或双链表，并且头结点的作用不明显，因此以下采用不带头结点的单链表实现栈。

图片来源：data.biancheng.net/view/171.ht…

public class LinkedStack<T> implements SStack<T> {

    /**
     * 栈顶结点
     */
    private Node<T> top;

    /**
     * 构造一个空栈
     */
    public LinkedStack() {
        this.top = null;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return this.top == null;
    }

    @Override
    public void push(T t) {
        if (t != null){
            this.top = new Node(t,this.top);
        }
    }

    @Override
    public T pop() {
        if (this.top == null){
            return null;
        }
        T tmp = this.top.data;
        this.top = this.top.next;
        return tmp;
    }

    @Override
    public T get() {
        return this.top == null ?null:this.top.data;
    }
}

4.栈的应用

栈在面试时是必会问道的问题，一般都是在jvm，堆栈等问题中体现。程序开发中在实现嵌套调用、递归调用时、非递归方式实现递归算法或实现非线性结构的深度遍历算法等软件设计中都会用到栈。

4.1 栈嵌套调用机制的实现基础

开发中常会在一个方法体中调用另一个方法的方式就是嵌套调用。为什么嵌套调用会用到栈呢？因为在方法调用的次序和方法返回的次序正好相反，如果借助一个栈“记住”方法从何而来，那么就能获得方法返回的路径。当方法被调用的时，操作系统将该方法有关信息(地址、参数、局部变量等)入栈，记录当前信息；方法调用完返回时，出栈，获取被记录的方法信息，程序继续执行。也有称这个过程为保护现场、恢复现场。

4.2 使用栈以非递归方式实现递归算法

在程序中出现的表达式，其定义是递归的，求值也有递归算法。通过一个表达式（1+2）*3+4来展示jvm是怎么将表达式编译成能够正确求值的指令。

链接：文档地址源码地址

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