本篇是java数据结构与算法的第2篇，从本篇开始我们将来了解栈的设计与实现，以下是本篇的相关知识点：
- 栈的抽象数据类型
- 顺序栈的设计与实现
- 链式栈的设计与实现
- 栈的应用
栈的抽象数据类型
栈是一种用于存储数据的简单数据结构，有点类似链表或者顺序表（统称线性表），栈与线性表的最大区别是数据的存取的操作，我们可以这样认为栈(Stack)是一种特殊的线性表，其插入和删除操作只允许在线性表的一端进行，一般而言，把允许操作的一端称为栈顶(Top)，不可操作的一端称为栈底(Bottom)，同时把插入元素的操作称为入栈(Push),删除元素的操作称为出栈(Pop)。若栈中没有任何元素，则称为空栈，栈的结构如下图：
由图我们可看成栈只能从栈顶存取元素，同时先进入的元素反而是后出，而栈顶永远指向栈内最顶部的元素。到此可以给出栈的正式定义：栈(Stack)是一种有序特殊的线性表，只能在表的一端(称为栈顶，top，总是指向栈顶元素)执行插入和删除操作，最后插入的元素将第一个被删除，因此栈也称为后进先出(Last In First Out,LIFO)或先进后出(First In Last Out FILO)的线性表。栈的基本操作创建栈，判空，入栈，出栈，获取栈顶元素等，注意栈不支持对指定位置进行删除，插入，其接口Stack声明如下：
/*
* 栈接口抽象数据类型
*/
public interface Stack<T> { /**
* 栈是否为空
* @return
*/
boolean isEmpty(); /**
* data元素入栈
* @param data
*/
void push(T data); /**
* 返回栈顶元素,未出栈
* @return
*/
T peek(); /**
* 出栈,返回栈顶元素,同时从栈中移除该元素
* @return
*/
T pop();
}
顺序栈的设计与实现
顺序栈，顾名思义就是采用顺序表实现的的栈，顺序栈的内部以顺序表为基础，实现对元素的存取操作，当然我们还可以采用内部数组实现顺序栈，在这里我们使用内部数据组来实现栈，至于以顺序表作为基础的栈实现，将以源码提供。这里先声明一个顺序栈其代码如下，实现Stack和Serializable接口：
/*
* 顺序栈的实现
*/
public class SeqStack<T> implements Stack<T>,Serializable { private static final long serialVersionUID = -5413303117698554397L; /**
* 栈顶指针,-1代表空栈
*/
private int top=-1; /**
* 容量大小默认为10
*/
private int capacity=10; /**
* 存放元素的数组
*/
private T[] array; private int size; public SeqStack(int capacity){
array = (T[]) new Object[capacity];
} public SeqStack(){
array= (T[]) new Object[this.capacity];
}
//.......省略其他代码
}
其获取栈顶元素值的peek操作过程如下图（未删除只获取值）：
以上是获取栈顶元素的操作，代码如下：
/**
* 获取栈顶元素的值,不删除
* @return
*/
@Override
public T peek() {
if(isEmpty())
new EmptyStackException();
return array[top];
}
从栈添加元素的过程如下（更新栈顶top指向）：
以上是入栈操作，代码如下：
/**
* 添加元素,从栈顶(数组尾部)插入
* 容量不足时，需要扩容
* @param data
*/
@Override
public void push(T data) {
//判断容量是否充足
if(array.length==size)
ensureCapacity(size*2+1);//扩容 //从栈顶添加元素
array[++top]=data;
}
栈弹出栈顶元素的过程如下（删除并获取值）：
以上是出栈操作，代码如下：
/**
* 从栈顶(顺序表尾部)删除
* @return
*/
@Override
public T pop() {
if(isEmpty())
new EmptyStackException();
size--;
return array[top--];
}
到此，顺序栈的主要操作已实现完，是不是发现很简单，确实如此，栈的主要操作就这样，当然我们也可以通过前一篇介绍的MyArrayList作为基础来实现顺序栈，这个也比较简单，后面也会提供带代码，这里就不过多啰嗦了。下面给出顺序栈的整体实现代码：
import java.io.Serializable;
import java.util.EmptyStackException; /*
* 顺序栈的实现
*/
public class SeqStack<T> implements Stack<T>,Serializable { private static final long serialVersionUID = -5413303117698554397L; /**
* 栈顶指针,-1代表空栈
*/
private int top=-1; /**
* 容量大小默认为10
*/
private int capacity=10; /**
* 存放元素的数组
*/
private T[] array; private int size; public SeqStack(int capacity){
array = (T[]) new Object[capacity];
} public SeqStack(){
array= (T[]) new Object[this.capacity];
} public int size(){
return size;
} @Override
public boolean isEmpty() {
return this.top==-1;
} /**
* 添加元素,从栈顶(数组尾部)插入
* @param data
*/
@Override
public void push(T data) {
//判断容量是否充足
if(array.length==size)
ensureCapacity(size*2+1);//扩容 //从栈顶添加元素
array[++top]=data; size++;
} /**
* 获取栈顶元素的值,不删除
* @return
*/
@Override
public T peek() {
if(isEmpty())
new EmptyStackException();
return array[top];
} /**
* 从栈顶(顺序表尾部)删除
* @return
*/
@Override
public T pop() {
if(isEmpty())
new EmptyStackException();
size--;
return array[top--];
} /**
* 扩容的方法
* @param capacity
*/
public void ensureCapacity(int capacity) {
//如果需要拓展的容量比现在数组的容量还小,则无需扩容
if (capacity<size)
return; T[] old = array;
array = (T[]) new Object[capacity];
//复制元素
for (int i=0; i<size ; i++)
array[i]=old[i];
} public static void main(String[] args){
SeqStack<String> s=new SeqStack<>();
s.push("A");
s.push("B");
s.push("C");
System.out.println("size->"+s.size());
int l=s.size();//size 在减少,必须先记录
for (int i=0;i<l;i++){
System.out.println("s.pop->"+s.pop());
} System.out.println("s.peek->"+s.peek());
}
}
链式栈的设计与实现
了解完顺序栈，我们接着来看看链式栈，所谓的链式栈（Linked Stack），就是采用链式存储结构的栈，由于我们操作的是栈顶一端，因此这里采用单链表（不带头结点）作为基础，直接实现栈的添加，获取，删除等主要操作即可。其操作过程如下图：
从图可以看出，无论是插入还是删除直接操作的是链表头部也就是栈顶元素，因此我们只需要使用不带头结点的单链表即可。代码实现如下，比较简单，不过多分析了：
import com.zejian.structures.LinkedList.singleLinked.Node; import java.io.Serializable; /*
* 栈的链式实现
*/
public class LinkedStack<T> implements Stack<T> ,Serializable{ private static final long serialVersionUID = 1911829302658328353L; private Node<T> top; private int size; public LinkedStack(){
this.top=new Node<>();
} public int size(){
return size;
} @Override
public boolean isEmpty() {
return top==null || top.data==null;
} @Override
public void push(T data) {
if (data==null){
throw new StackException("data can\'t be null");
}
if(this.top==null){//调用pop()后top可能为null
this.top=new Node<>(data);
}else if(this.top.data==null){
this.top.data=data;
}else {
Node<T> p=new Node<>(data,this.top);
top=p;//更新栈顶
}
size++;
} @Override
public T peek() {
if(isEmpty()){
throw new EmptyStackException("Stack empty");
} return top.data;
} @Override
public T pop() {
if(isEmpty()){
throw new EmptyStackException("Stack empty");
} T data=top.data;
top=top.next;
size--;
return data;
}
//测试
public static void main(String[] args){
LinkedStack<String> sl=new LinkedStack<>();
sl.push("A");
sl.push("B");
sl.push("C");
int length=sl.size();
for (int i = 0; i < length; i++) {
System.out.println("sl.pop->"+sl.pop());
}
}
}