编程自学指南：java程序设计开发，Java Stack 栈详解，理解栈的核心特性（LIFO），掌握 Stack 的 5 大核心方法，区分 Stack 与 Deque

最新推荐文章于 2025-12-01 22:20:41 发布

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编程自学指南：java程序设计开发，Java Stack 栈详解课件（初学者版）

一、课程信息

学习目标

理解栈的核心特性（LIFO）与生活场景
掌握 Stack 的 5 大核心方法（push/pop/peek/empty/search）
能通过栈解决实际问题（括号匹配、撤销操作）
区分 Stack 与 Deque 的使用场景，避免误用

二、课程导入：生活中的栈

🌰 生活案例：弹夹与盘子

弹夹：最后压入的子弹最先射出（LIFO）
餐厅叠盘：最后放的盘子最先被拿走
书包书本：后塞的书先被取出

💻 代码场景：撤销操作

// 模拟文本编辑器的撤销（Undo）功能
Stack<String> undoStack = new Stack<>();
undoStack.push("插入'Hello'");
undoStack.push("删除最后一个字符");
// 撤销：执行 undoStack.pop() 回到上一步

📌 核心特性：后进先出（Last In First Out）

三、Stack 基础：核心方法与案例

1. 继承关系与初始化

import java.util.Stack;

Stack<String> stack = new Stack<>(); // 继承自Vector，线程安全（但推荐用Deque）

2. 五大核心方法（带案例）

方法名	作用	案例（以字符串栈为例）	注意事项
`push(E e)`	压栈（顶部添加元素）	`stack.push("A");`	返回压入的元素
`pop()`	弹栈（移除并返回顶部元素）	`String top = stack.pop();`	空栈调用抛`EmptyStackException`
`peek()`	查看顶部元素（不弹出）	`String peek = stack.peek();`	空栈调用抛`EmptyStackException`
`empty()`	判断栈是否为空	`if (stack.empty()) {...}`
`search(E e)`	查找元素位置（顶部为 1）	`int pos = stack.search("B");`	不存在返回 - 1

3. 基础操作案例

Stack<Integer> nums = new Stack<>();
nums.push(10);  // 栈：[10]
nums.push(20);  // 栈：[10, 20]
System.out.println(nums.pop()); // 20（栈：[10]）
System.out.println(nums.peek()); // 10（栈不变）
System.out.println(nums.search(10)); // 1（顶部元素位置）

四、栈的典型应用场景

案例 1：括号匹配（经典算法）

需求：判断字符串中括号是否匹配（"()[]{}"）
思路：遇到左括号压栈，遇到右括号弹栈并检查是否匹配

public static boolean isValid(String s) {
    Stack<Character> stack = new Stack<>();
    for (char c : s.toCharArray()) {
        if (c == '(' || c == '[' || c == '{') {
            stack.push(c);
        } else {
            if (stack.empty()) return false; // 右括号多余
            char top = stack.pop();
            if ((c == ')' && top != '(') ||
                (c == ']' && top != '[') ||
                (c == '}' && top != '{')) {
                return false; // 括号不匹配
            }
        }
    }
    return stack.empty(); // 左括号不能多余
}

// 测试：
System.out.println(isValid("()[]{}")); // true
System.out.println(isValid("([)]"));   // false

案例 2：逆序字符串

需求：将 "abc" 逆序为 "cba"
思路：压栈后依次弹出

public static String reverse(String str) {
    Stack<Character> stack = new Stack<>();
    for (char c : str.toCharArray()) {
        stack.push(c);
    }
    StringBuilder reversed = new StringBuilder();
    while (!stack.empty()) {
        reversed.append(stack.pop());
    }
    return reversed.toString();
}

// 输出：reverse("hello") → "olleh"

案例 3：浏览器历史记录（Undo/Redo）

需求：模拟浏览器的前进 / 后退
实现：两个栈（后退栈 + 前进栈）

Stack<String> backStack = new Stack<>();
Stack<String> forwardStack = new Stack<>();

// 访问页面A→B→C
backStack.push("A");
backStack.push("B");
backStack.push("C");

// 点击后退到B
String current = backStack.pop(); // C
forwardStack.push(current); // 前进栈存C
current = backStack.peek(); // B

// 点击前进到C
current = forwardStack.pop(); // C
backStack.push(current);

五、Stack vs Deque：选择与避坑

1. 核心区别

特性	Stack（旧）	Deque（推荐）
继承	继承 Vector，线程安全	接口，实现类（如 ArrayDeque）
方法	push/pop/peek（专属）	addFirst/removeFirst 等
线程安全	是（但性能低）	否（需手动同步）
推荐场景	教学演示	实际开发（替代 Stack）

2. 推荐写法：用 Deque 实现栈

Deque<String> stack = new ArrayDeque<>(); // 更高效
stack.push("A");   // 等价 addFirst()
stack.pop();       // 等价 removeFirst()

3. 初学者误区

误区 1：认为 Stack 是唯一栈实现（实际 Deque 更优）
误区 2：忽略空栈检查（pop()/peek()前先用empty()）
误区 3：在多线程中直接使用 Stack（应优先用ConcurrentLinkedDeque）

六、内存分配与性能

1. 栈的内存模型（对比堆）

Stack<Integer> stack = new Stack<>(); // 栈引用在栈区，对象在堆区
stack.push(10); // 10是Integer对象，存储在堆区

图解：栈变量存堆地址，元素是堆中的对象（与数据结构的 “栈” 无关）。

2. 性能测试：压栈 10 万次

// Stack（旧）
long start = System.currentTimeMillis();
Stack<Integer> s = new Stack<>();
for (int i=0; i<100000; i++) s.push(i);
System.out.println("Stack耗时：" + (System.currentTimeMillis()-start)); // 约12ms

// Deque（推荐）
start = System.currentTimeMillis();
Deque<Integer> d = new ArrayDeque<>();
for (int i=0; i<100000; i++) d.push(i);
System.out.println("Deque耗时：" + (System.currentTimeMillis()-start)); // 约3ms

七、课堂练习

练习 1：简易计算器（后缀表达式）

需求：计算 "3 4 +" → 7（用栈实现）
提示：数字压栈，遇到运算符弹栈计算

Stack<Integer> nums = new Stack<>();
String[] tokens = "3 4 +".split(" ");
for (String token : tokens) {
    if (isNumber(token)) {
        nums.push(Integer.parseInt(token));
    } else {
        int b = nums.pop();
        int a = nums.pop();
        nums.push(calculate(a, b, token));
    }
}
System.out.println(nums.pop()); // 7

练习 2：有效括号扩展（含嵌套）

输入："{[()()]}"
输出：true
提示：嵌套括号需严格匹配（用栈记录左括号）

八、课程总结

知识图谱：

栈 → LIFO特性 → push压栈，pop弹栈  
   ↳ 典型应用：括号匹配、逆序、撤销  
   ↳ 推荐写法：Deque替代Stack（高效）  
   ↳ 避坑：空栈检查、线程安全

口诀记忆：

“栈似弹夹后入先出，push 压 pop 弹要记牢，
括号匹配栈来帮忙，Deque 替代性能强！”

九、课后作业（必做 + 选做）

必做 1：用栈实现十进制转二进制

输入：10
输出：1010
提示：除 2 取余，结果逆序（栈天然逆序）

必做 2：括号匹配升级（含多种括号）

输入："({[]})[()]"
输出：true

选做：汉诺塔问题（递归 + 栈模拟）

需求：用栈模拟汉诺塔移动过程（提示：三个栈代表三根柱子）