資料結構與演算法學習筆記之後進先出的“桶”
前言
棧最為一種的常用的資料結構，用“桶”來形容最合適不過；今天我們就來學習一下
正文
一、棧的定義？
1.“後進先出，先進後出”的資料結構。
2.從操作特性來看，是一種“操作受限”的線性表，只可以在一端插入和刪除資料。
二、為什麼需要棧？
1.任何資料結構都是對特定應用場景的抽象，棧是一種操作受限的資料結構，其操作特性用陣列和連結串列均可實現，但卻暴露太多的操作介面，使用時容易出錯；
2.當某個資料集合只涉及在一端插入和刪除資料，且滿足後進者先出，先進者後出的操作特性時，我們應該首選棧這種資料結構
三、如何實現棧？
棧可以用陣列，連結串列來實現
1.以陣列為例
空間複雜度為O(1)
時間複雜度大多數為O（1），特殊情況自動擴容拷貝原陣列時為O（n）；
均攤時間複雜度接近於O（1）；
// 基於陣列實現的順序棧
public class ArrayStack {
private String[] items; // 陣列
private int count; // 棧中元素個數
private int n; // 棧的大小
// 初始化陣列，申請一個大小為 n 的陣列空間
public ArrayStack(int n) {
this.items = new String[n];
this.n = n;
this.count = 0;
}
// 入棧操作
public boolean push(String item) {
// 陣列空間不夠了，直接返回 false，入棧失敗。
if (count == n) return false;
// 將 item 放到下標為 count 的位置，並且 count 加一
items[count] = item;
++count;
return true;
}
// 出棧操作
public String pop() {
// 棧為空，則直接返回 null
if (count == 0) return null;
// 返回下標為 count-1 的陣列元素，並且棧中元素個數 count 減一
String tmp = items[count-1];
--count;
return tmp;
}
}（程式碼來自於網路，如有侵權請告知我刪除）
2.以連結串列為例（網上找的）
空間複雜度為O(1)
時間複雜度大多數為O（1）
public class StackOfLinked<Item> implements Iterable<Item> {
//定義一個內部類，就可以直接使用型別引數
private class Node{
Item item;
Node next;
}
private Node first;
private int N;
//構造器
public StackOfLinked(){}
//新增
public void push(Item item){
Node oldfirst = first;
first = new Node();
first.item = item;
first.next = oldfirst;
N++;
}
//刪除
public Item pop(){
Item item = first.item;
first = first.next;
N--;
return item;
}
//是否為空
public boolean isEmpty(){
return N == 0;
}
//元素數量
public int size(){
return N;
}
//返回棧中最近新增的元素而不刪除它
public Item peek(){
return first.item;
}
@Override
public Iterator<Item> iterator() {
return new LinkedIterator();
}
//內部類：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;
}
}
}（程式碼來自於網路，如有侵權請告知我刪除）
四、棧的應用
1.函式呼叫中的應用
作業系統給每個執行緒分配了一塊獨立的記憶體空間，這塊記憶體被組織成“棧”這種結構，用來儲存函式呼叫時的臨時變數。每進入一個函式，就會將其中的臨時變數作為棧幀入棧，當被呼叫函式執行完成，返回之後，將這個函式對應的棧幀出棧。
2.在表示式求值中的應用（比如：34+13*9+44-12/3）
利用兩個棧，一個用來儲存運算元，一個用來儲存運算子。我們從左向右遍歷表示式，當遇到數字，我們就直接壓入運算元棧；當遇到運算子，就與運算子棧的棧頂元素進行比較，若比運算子棧頂元素優先順序高，就將當前運算子壓入棧，若比運算子棧頂元素的優先順序低或者相同，從運算子棧中取出棧頂運算子，從運算元棧頂取出2個運算元，然後進行計算，把計算完的結果壓入運算元棧，繼續比較。
（圖片來自於王爭）
3.棧在括號匹配中的應用（比如：{}{[()]()}）
用棧儲存為匹配的左括號，從左到右一次掃描字串，當掃描到左括號時，則將其壓入棧中；當掃描到右括號時，從棧頂取出一個左括號，如果能匹配上，則繼續掃描剩下的字串。如果掃描過程中，遇到不能配對的右括號，或者棧中沒有資料，則說明為非法格式。
當所有的括號都掃描完成之後，如果棧為空，則說明字串為合法格式；否則，說明未匹配的左括號為非法格式。
4.如何實現瀏覽器的前進後退功能？
我們使用兩個棧X和Y，我們把首次瀏覽的頁面依次壓如棧X，當點選後退按鈕時，再依次從棧X中出棧，並將出棧的資料一次放入Y棧。當點選前進按鈕時，我們依次從棧Y中取出資料，放入棧X中。當棧X中沒有資料時，說明沒有頁面可以繼續後退瀏覽了。當Y棧沒有資料，那就說明沒有頁面可以點選前進瀏覽了。
（圖片來自於王爭）
五、兩個問題
1. 我們在講棧的應用時，講到用函式呼叫棧來儲存臨時變數，為什麼函式呼叫要用“棧”來儲存臨時變數呢？用其他資料結構不行嗎？
答：因為函式呼叫的執行順序符合後進者先出，先進者後出的特點。
函式呼叫中經常巢狀，栗子：A呼叫B，B又呼叫C，那麼就需要先把C執行完，結果賦值給B中的臨時變數，B的執行結果再賦值給A的臨時變數，巢狀越深的函式越需要被先執行，這樣剛好符合棧的特點，因此每次遇到函式呼叫，只需要壓棧，最後依次從棧頂彈出依次執行即可，根據資料結構是特定應用場景的抽象的原則，我們優先考慮棧結構。
2.我們都知道，JVM 記憶體管理中有個“堆疊”的概念。棧記憶體用來儲存區域性變數和方法呼叫，堆記憶體用來儲存 Java 中的物件。那 JVM 裡面的“棧”跟我們這裡說的“棧”是不是一回事呢？如果不是，那它為什麼又叫作“棧”呢？
答：記憶體中的堆疊和資料結構堆疊不是一個概念，可以說記憶體中的堆疊是真實存在的物理區，資料結構中的堆疊是抽象的資料儲存結構。
記憶體空間在邏輯上分為三部分：程式碼區、靜態資料區和動態資料區，動態資料區又分為棧區和堆區。
程式碼區：儲存方法體的二進位制程式碼。高階排程（作業排程）、中級排程（記憶體排程）、低階排程（程序排程）控制程式碼區執行程式碼的切換。
靜態資料區：儲存全域性變數、靜態變數、常量，常量包括final修飾的常量和String常量。系統自動分配和回收。
棧區：儲存執行方法的形參、區域性變數、返回值。由系統自動分配和回收。
堆區：new一個物件的引用或地址儲存在棧區，指向該物件儲存在堆區中的真實資料。
作者：Dawnzhang
出處：https://www.cnblogs.com/clwydjgs/p/9792256.html