java中的栈

本文深入剖析了Java中的Stack类,探讨了其被弃用的原因及替代方案,并提供了使用队列实现栈的具体方法。

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一、栈的理解

栈(Stack)是一种受限的线性数据结构,所谓受限是指栈只暴露栈顶和栈底的操作,其底层是由数组实现的。栈的特性是先进后出,类似于手枪压弹,原理示意图如下:
在这里插入图片描述

二、Stack的继承关系

在这里插入图片描述

三、被弃用的Stack

3.1 被弃用的原因

从继承关系中,我们可以看到Stack的基本方法与底层实现,由于Vector是动态数组接口,其底层的实现是数组,因此,Stack的底层实现也是数组,且继承了Vector的公共方法。
从前文(简析Vector类)我们知道,Vector类具有动态扩容和随机访问的特性,因此,继承了Vector类的Stack也同样具有这些特性,这恰好违背了Stack数据结构的设计原理,正因为如此,Java中的Stack一直被认为是糟糕的实现,官方也将Stack标志为“弃用”(deprecated)。
综上所述,导致Stack糟糕实现的原因是Stack与Vector类的关系出现了错误,不应该是继承关系(is-a),而应是组合关系(has-a)。

3.2 如何替代

官方推荐使用Deque接口来实现Stack:

Deque<E> stack = new ArrayDeque<>();

虽然官方做出了推荐,但是我们仍然可以发现,Deque实现的Stack实质是一个双端队列,可以在队列的两端实现插入和删除操作,仍然破坏力了封装性,并不安全,可以看出这并不是一个完美的方法。
因此,在实际中更推荐大家再做一层封装,通过逻辑限定为只能一端操作插入和删除,形成一个真正的栈。

3.3 队列实现栈

用队列实现栈,只需要⼀个队列作为底层数据结构。
要实现的栈的API如下:

class MyStack {
	/** 添加元素到栈顶 */
	public void push(int x);
	/** 删除栈顶的元素并返回 */
	public int pop();
	/** 返回栈顶元素 */
	public int top();
	/** 判断栈是否为空 */
	public boolean empty();
}

先说 push API,直接将元素加⼊队列,同时记录队尾元素,因为队尾元素相当于栈顶元素,如果要 top 查
看栈顶元素的话可以直接返回:

class MyStack {
	Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
	int top_elem = 0;
	/** 添加元素到栈顶 */
	public void push(int x) {
		// x 是队列的队尾,是栈的栈顶
		q.offer(x);
		top_elem = x;
	}
	/** 返回栈顶元素 */
	public int top() {
		return top_elem;
	}
}

我们的底层数据结构是先进先出的队列,每次 pop 只能从队头取元素;但是栈是后进先出,也就是说 pop
API 要从队尾取元素:
在这里插入图片描述
解决⽅法简单粗暴,把队列前⾯的都取出来再加⼊队尾,让之前的队尾元素排到队头,这样就可以取出了:
在这里插入图片描述

/** 删除栈顶的元素并返回 */
public int pop() {
	int size = q.size();
	while (size > 1) {
		size--;
	}
	// 之前的队尾元素已经到了队头
	return q.poll();
}

这样实现还有⼀点⼩问题就是,原来的队尾元素被提到队头并删除了,但是 top_elem 变量没有更新,我们
还需要⼀点⼩修改:

/** 删除栈顶的元素并返回 */
public int pop() {
	int size = q.size();
	// 留下队尾 2 个元素
	while (size > 2) {
		q.offer(q.poll());
		size--;
	}
	// 记录新的队尾元素
	top_elem = q.peek();
	q.offer(q.poll());
	// 删除之前的队尾元素
	return q.poll();
}

最后,API empty 就很容易实现了,只要看底层的队列是否为空即可:

/** 判断栈是否为空 */
public boolean empty() {
	return q.isEmpty();
}

很明显,⽤队列实现栈的话,pop 操作时间复杂度是 O(N),其他操作都是 O(1) 。

3.4 面试中的Stack

如果面试中关注的是算法和程序的逻辑,那么数据结构的使用就不是重点,但是如果能用Deque实现,那自然是更好,尤其是需要考察对Java原因的理解。

参考资料

[1] https://blog.youkuaiyun.com/Tommy_____/article/details/106445631
[2] labuladong算法秘籍V1.1

关于的使用,内有关于使用的示例 的应用举例 1. 将10进制正整数num转换为n进制 private String conversion(int num, int n) { MyStack myStack = new MyArrayStack(); Integer result = num; while (true) { // 将余数入 myStack.push(result % n); result = result / n; if (result == 0) { break; } } StringBuilder sb = new StringBuilder(); // 按出的顺序倒序排列即可 while ((result = myStack.pop()) != null) { sb.append(result); } return sb.toString(); } 2. 检验符号是否匹配. '['和']', '('和')'成对出现时字符串合法. 例如"[][]()", "[[([]([])()[])]]"是合法的; "([(])", "[())"是不合法的. 遍历字符串的每一个char, 将char与顶元素比较. 如果char和顶元素配对, 则char不入, 否则将char入. 当遍历完成时为空说明字符串是合法的. public boolean isMatch(String str) { MyStack myStack = new MyArrayStack(); char[] arr = str.toCharArray(); for (char c : arr) { Character temp = myStack.pop(); // 为空时只将c入 if (temp == null) { myStack.push(c); } // 配对时c不入 else if (temp == '[' && c == ']') { } // 配对时c不入 else if (temp == '(' && c == ')') { } // 不配对时c入 else { myStack.push(temp); myStack.push(c); } } return myStack.isEmpty(); } 3. 行编辑: 输入行中字符'#'表示退格, '@'表示之前的输入全都无效. 使用保存输入的字符, 如果遇到'#'就将顶出, 如果遇到@就清空. 输入完成时将中所有字符出后反转就是输入的结果: private String lineEdit(String input) { MyStack myStack = new MyArrayStack(); char[] arr = input.toCharArray(); for (char c : arr) { if (c == '#') { myStack.pop(); } else if (c == '@') { myStack.clear(); } else { myStack.push(c); } } StringBuilder sb = new StringBuilder(); Character temp = null; while ((temp = myStack.pop()) != null) { sb.append(temp); } // 反转字符串 sb.reverse(); return sb.toString(); }
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