图解Java Stack栈

2021-09-27 22:23:32

写在前面

从某种角度来说，栈的LIFO（last in first out）特性是一个非常有用的特性，正是这样的特性，让栈变得格外重要。

所谓的LIFO就是后进先出，后进来的元素先出去，就如同下图中一般。

而在Java中，Java类库已经为我们提供来了Stack类来实现栈，并且这个Stack类是范型类，它可以存储不同的数据类型。

那么接下来我们就来看一下，Java为我们提供了哪些Stack类方法。

在这几个方法中，有一个很频繁的概念就是栈顶对象，因为我们知道栈是一个像井一样的有深度的数据结构，而我们站在上面并不能看到这个栈的整体结构，我们能看到的只有最上面的一个元素，这个元素就被称为栈顶元素。
它具有很多作用，从某种程度上说，栈的各种操作都离不开栈顶元素。

我们一个一个来分析：
判断栈是否为空：
当我们站在上面往井里面看的时候，如果看到东西了，换句话说，就是我们看到了栈顶元素，那么这个井就不是空的。所以栈顶元素可以判断栈是否为空。

查看栈顶对象：
很多时候，我们在得知栈不为空之后，还需要知道栈顶元素是什么，因为我们对栈操作的时候，我们能看到的只是栈最顶部的元素，要把它拿出来，还是在它头上再加一层，都有一个前提就是，看到它，所以我们为栈顶元素取一个用来操作的名字peek。

所以，对于peek,我们有两个很常见的操作，一个是将它取出来，一个是在它头上再加一层。
那么就引出了两个方法：pop和push。

pop就是把栈顶元素peak顶出来，然后peak的下一层就成为了新的peak。如果没有下一层，栈就为空。

push就是把一个新的元素塞到栈里面去，这个元素就成为了新的peak。

好的，我们已经熟悉了栈的基本操作，接下来，我们来看一个简单的例子来运用一下Stack类的这些方法：

import java.util.Stack;
/**
 * Java Stack的基本使用
 * 
 * @作者（yequan17）
 * @版本（2021.12.6）
 */
public class JStackTest
{
    public static void main(String[] args){
        System.out.println("Integer类型：");
        Stack<Integer> stack=new Stack<Integer>();
        stack.push(1);
        stack.push(2);
        System.out.println("添加元素之后栈顶元素为："+stack.peek()+" 是否为空:"+stack.empty()+" 栈内所有元素:"+stack);
        stack.pop();
        stack.pop();
        System.out.println("移除元素之后:");
        System.out.println("是否为空:"+stack.empty());
        
        System.out.println();
        System.out.println("自定义类型：");
        Stack<MyObject> stackObject=new Stack<MyObject>();
        stackObject.push(new MyObject(3,"yequan3"));
        stackObject.push(new MyObject(4,"yequan4"));
        System.out.println("添加元素之后栈顶元素:" +stackObject.peek().name+ " 是否为空:"+stackObject.empty());
        stackObject.pop();
        stackObject.pop();
        System.out.println("移除元素之后");
        System.out.println("是否为空:"+stackObject.empty());
    }
    
    static class MyObject{
        Integer id;
        String name;
        
        MyObject(int id,String name){
            this.id=id;
            this.name=name;
        }
    }
}

在上面的代码中我们简单看过了Java中对栈Stack类的一些方法，那么接下来我们就来自己实现以下栈。

栈的两种实现方式

栈可以通过数组和链表来实现。

这两种方式各有优势和缺点：

利用数组来创建栈，可以得到连续的内存空间，但是扩容的时候会比较麻烦。
利用链表来实现栈时扩容简单，但是内存空间不连续。

接下来，我们先看一下如何用数组实现栈。

用数组来实现栈：只需要定义一个栈顶指针指向栈顶元素即可，当要添加数据时指针往后移动，当要取出数据的时候指针往前移动。

在入栈的时候，如果栈已经满了，那么需要拓展内存，在出栈的时候，如果栈为空返回null。

具体代码如下：

import java.util.Arrays;
/**
 * Stack的数组实现
 * 
 * @作者（yequan17）
 * @版本（2021.12.7）
 */
public class JStackArray
{
    //范型类型、创建的时候指定数据类型
    public static class ArrayStack<E>{
        private Object[] stack;
        private int index;
        ArrayStack() {
            stack=new Object[10];
            index=0;//栈顶地址
        }
        
        public boolean isEmpty(){
            return index==0;
        }
        
        public  E peek(){
            if(isEmpty()){
                return null;
            }
            return (E)stack[index-1];
        }
        
        public E pop(){
            if (isEmpty()) {
            return null;
            }
            index--;
            return (E)stack[index];
        }
        
        //拓展内存
        private void ensureCapacity(int index) {
            if (index > stack.length) {
                int len = stack.length + 10;
                stack = Arrays.copyOf(stack, len);
            }
        }

        public E push(E e) {
            ensureCapacity(index+1);
            stack[index++] = e;
            return e;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args){
        ArrayStack<String> stack = new ArrayStack<>();
        stack.push("a");
        stack.push("b");
    
        System.out.println("栈顶元素："+stack.peek());
        System.out.println("栈顶元素出栈："+stack.pop());
        System.out.println("栈顶元素出栈："+stack.pop());
        System.out.println("栈顶元素出栈："+stack.pop());
    }
}

栈的链表实现：当添加节点的时候栈顶元素为新添加的节点，该节点的next指向之前的节点，当删除元素时候当前节点指向下一个节点即可。

代码实现：


/**
 * Stack的链表实现
 * 
 * @作者（yequan17）
 * @版本（2021.12.7）
 */
public class JStackList
{
    //链表数据结构
    static class Node<E> {
        Node<E> next = null;    
        E data;
        public Node(E data) {
        this.data = data;
        }
    }

    //链表实现栈数据结构
    static class ListNodeStack<E> {
        Node<E> top = null;

        boolean isEmpty() {
            return top == null;
        }

        public void push(E item) {
            Node<E> node = new Node<E>(item);
            node.next = top;
            top = node;
        }

        public E pop() {
            if (this.isEmpty()) return null;
            E data = top.data;
            top = top.next;
            return data;
        }

        public E peek() {
            if (this.isEmpty()) return null;
            return top.data;
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ListNodeStack<Integer> stack = new ListNodeStack<>();
        System.out.println("入栈");
        stack.push(1);
        stack.push(2);
        System.out.println("出栈:"+stack.pop());
        System.out.println("出栈:"+stack.pop());
        System.out.println("栈是否为空："+stack.isEmpty());
    }   
    
}

总结

在实际使用中，并不需要我们自己实现Stack,Java已经完全帮我们做好了封装，只需要引入java.util.Stack就可以直接使用Stack了。

一个思考问题：
为什么数组实现栈的时候，数组的长度要选为10，而不是其他数呢？以及如何扩容呢？

我们来看一下Java关于Stack的源码就会得知，真正实现Stack的并不是简单的数组，而是Vector类，Vector类实现了可扩展的对象数组。像数组一样，它包含可以使用整数索引访问的组件。但是， Vector的大小可以根据需要增长或缩小，以适应在创建Vector之后添加和删除项目。

而Vector的默认容量是10，其扩容增量为原本容量的一倍，也就是说，最开始的Vector的容量为10，扩容一次就会变成20。

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