1. 写在之前
这是我的第一篇博客，最近刚刚找到一份程序员的工作，非常有幸能成为广大程序员的一份子。虽然已经找到工作，但是在软件方面算是刚刚入门。由于疫情原因在家还不能入职，所以正好趁此机会恶补一下计算机基础，很多东西需要慢慢学，希望能和大家一起成长！
这篇文章是想尽量全面地讲解栈数据结构在Java中的实现，除了介绍如何自己实现之外，还介绍了JDK中Stack的实现，最后用一个例子讲解栈的实际应用。本文的所有代码都是基于JDK11。
2. 栈（stack）
本文只是我的个人理解，如果与权威解释有偏差，请多多指正，谢谢！
栈是一个先进后出的数据结构，可以想象成一堆叠在一起的盘子，每次放盘子只能放在最上面的盘子之上，每次取盘子也只能取最上面的那一块盘子。
栈实际上是对线性表的简化。
线性表的每个元素都是可访问的，而一个栈结构只需要对栈顶的元素可访问就足够了。所以栈数据结构不像查找树、大顶堆等等的结构那样能够为某些操作提供极大的方便，它所提供的是一个解决问题的思想。
3. 栈的基本操作
栈数据结构中必不可少的成员有两个，元素的容器以及指向栈顶的指针（这里的指针不是C/C++里的指针，仅仅表示一个索引，能通过该索引访问到到栈顶元素）。如下面的代码段所示
// 用一个类表示栈
class Stack {
int[] container; // 保存栈元素的容器，为了方便理解，容器就用int[]类型来实现
int top; // 栈顶元素在container中的下标，可通过container[top]来访问栈顶元素
}
栈的基本操作有：
- 入栈（poush）：往栈中添加一个元素。
- 出栈（pop）：获取栈顶的元素，并且将该元素从栈中删除。
- 访问栈顶元素（peek）：获取栈顶的元素，不删除。
- 判断栈是否为空（isEmpty）：顾名思义。
4. 栈的应用
我体会最深的栈的应用就是函数的调用，函数的嵌套调用就是用栈实现的，程序每次都运行在栈顶函数的上下文中，当栈顶函数return后操作系统/虚拟机就执行出栈操作，程序恢复到调用方的上下文中。再有新的嵌套调用就再次执行新一轮的入栈和出栈操作。很多语言都有异常处理机制，当异常抛出时，通常都会将程序调用栈显示到控制台，大家平时也可以多跟踪一下这些报错信息，这样能更加深入地了解自己的程序运行逻辑，加深对源码的理解，而不是只知道用库，知其然不知其所以然。
5. 栈的实现
栈的实现比较简单，没有特别复杂的逻辑，针对不同的场景可以有很多改动，比如增加线程安全的支持，容器用链表实现，容器的扩容，容器对不同数据类型的支持等等，这里我只做一些简单的实现，主要是方便大家理解，如果对Java栈感兴趣，可以看一看java.util包中的Stack类，虽然不常用，但好歹是官方实现。
入栈
class Stack {
...
void push(int e) {
this.top++; // 将指针移动到栈顶之上
this.container[top] = e; // 将元素插入容器中
}
}
出栈
class Stack {
...
int pop() {
if (this.isEmpty()) {
return -1; // 如果容器里没有元素就返回一个特殊值，这里是-1，提示调用方。有时候也可以选择抛出一个异常，取决于你的设计。
} else {
int result = this.container[top]; // 返回栈顶元素
top--; // 栈指针往下移动
return result;
// return this.container[this.top--] // 或者将上面三行合并成这一行，简单但是可读性较差
}
}
}
peek操作和判断是否为空操作太简单就不再赘述。
6. JDK中的实现
JDK1.0就已经在java.util包中实现了Stack类，它继承自Vector类，Vector是在JDK1.2之前非常常用的动态数组类，那么到了JDK1.2，我们最熟悉的Collection家族出现了，实现了Collection接口的ArrayList和LinkedList类基本上代替了Vector，成为我们最常用的动态数组类型，但唯一一点代替不了Vector的是，这三者之中只有Vector是线程安全的。
好像扯远了，现在就来介绍一下java.util.Stack，它实现的内容很少，大部分都是继承自它的父类Vector。
Stack的方法也只是简单的封装了父类Vector的方法。但从语义上来说，这是一个标准的栈，没有多余的操作暴露给外部。需要注意的是，我们上面实现的栈示例中没有考虑入栈越界的情况，那么jdk中的Stack类是怎么处理越界的呢？我们先来看看Stack类的push方法的源代码。
public E push(E item) {
addElement(item);
return item;
}
没错，就这么简单，就像最开始的时候说的，栈并不是一个有强大机制的数据结构，它只是一种解决问题的思想，JDK中的Stack除了对Vector的一些方法封装成栈的语义之外再没有任何附加的功能了，尽管它继承了Vector，但可以说是不合格的继承，它既没有对Vector的功能做扩展，也没有与其他Vector的子类形成明显的多态关系，不像ArrayList和LinkedList，就是典型的多态，同样功能确有不同地实现。
push方法里addElemnt方法是继承自父类Vector的，Vector的底层容器是一个固定长度的数组，如果没有在调用Vector构造方法时指定，那么默认的数组长度是10，当不断往底层数组中添加元素时，默认会开辟一个新的数组空间，长度为之前的两倍（内存没有溢出的情况下），然后将原来的数组copy到新数组中。当然，每次扩容的长度也可以在重载的构造方法中指定。注意，Stack类只有无参构造方法，所以底层数组长度只能默认是10，扩容也能默认扩容为之前的两倍长。这就是Stack的push方法涉及的操作，并且，它也是线程安全的。
另外，我还想向大家推荐一个我经常用来代替Stack的接口类型：java.util.Deque（double-ended queue ），也就是双端队列，大家仔细观察一下它的方法。
1. List<E> list = new LinkedList<>();
2. Deque<E> list = new LinkedList<>();
可能这就是面向LinkedList编程吧，hhh。
7. 实际应用（Leetcode举例）
在Leetcode的20.有效的括号一题中，提出了如下一个问题：
给定一个只包括 '('，')'，'{'，'}'，'['，']' 的字符串，判断字符串是否有效。 有效字符串需满足：
- 左括号必须用相同类型的右括号闭合。
- 左括号必须以正确的顺序闭合。
注意空字符串可被认为是有效字符串。
看到这个题目其实可以想到IDE的括号检查，如果括号不匹配了IDE会在某处提示我们错误消息，当然，实际应用肯定比这道题要复杂得多。那么这道题用栈怎么解决呢？我们的思路是将所有的括号从内到外，逐渐将匹配的括号消除掉，如果往外消除的过程中出现有括号无法匹配，那么就返回错误。用栈解决的流程是：
1. 将括号字符串不断入栈。
2. 入栈的过程中检查要入栈的字符是否与栈顶字符构成一对括号，如果构成就弹出栈顶字符，相当于消除了内层的括号。
3. 所有的字符都经过了第二步之后判断栈是否为空，如果不为空则代表有外层括号未匹配，返回错误，如果为空则代表匹配成功。
代码
public boolean isValid(String s) {
if (s.length() == 0) return true;
Stack<Character> stack = new Stack<>();
for (char c : s.toCharArray()) {
if (stack.empty()) {
stack.push(c);
continue;
}
switch (c) {
case '(':
case '[':
case '{':
stack.push(c);
break;
case ')':
if ('(' == stack.peek()) stack.pop();
else stack.push(c);
break;
case ']':
if ('[' == stack.peek()) stack.pop();
else stack.push(c);
break;
case '}':
if ('{' == stack.peek()) stack.pop();
else stack.push(c);
break;
default:
break;
}
}
if (stack.empty()) return true;
else return false;
}
8. 结语
以后我还会更新更多的数据结构相关的总结，希望大家能够多多指正我的问题，共同学习，谢谢。
