Java 实现括号匹配：栈的应用与优化

Java 实现括号匹配：栈的应用与优化

在编程中，括号匹配问题是一个常见的题目，尤其在编写表达式解析器时，正确地识别和匹配括号是至关重要的。本文将讨论如何使用 Java 实现括号匹配，并展示如何通过使用不同的栈实现进行优化。

题目描述

给定一个只包含括号的字符串，判断字符串中的括号是否有效。有效的括号需满足：

1. 左括号必须用相同类型的右括号闭合。
2. 左括号必须以正确的顺序闭合。

例如：

• "()" 和 "()[]{}" 是有效的括号字符串。
• "(]" 和 "([)]" 是无效的括号字符串。

基础实现：使用 Stack 类

Java 提供了 Stack 类来支持栈的基本操作。以下代码展示了如何使用 Stack 类来实现括号匹配。

public boolean isValid(String s) {
    Stack<Character> stack = new Stack<>();
    for (char c : s.toCharArray()) {
        // 如果字符是左括号（小括号、大括号或方括号）
        if (c == '(' || c == '{' || c == '[') {
            // 将左括号压入栈中
            stack.push(c);
        } else {
            // 如果栈为空，则返回false，表示括号不匹配
            if (stack.isEmpty()) return false;
            // 弹出栈顶元素
            char top = stack.pop();
            // 判断右括号与栈顶元素是否匹配
            if (c == ')' && top != '(' ||
                c == '}' && top != '{' ||
                c == ']' && top != '[') return false;
        }
    }
    // 如果栈为空，表示所有括号都匹配成功，返回true；否则返回false
    return stack.isEmpty();
}

代码分析

1. 使用栈存储左括号：当遇到左括号时，将其压入栈中。
2. 匹配右括号：当遇到右括号时，检查栈是否为空。如果为空，则说明没有对应的左括号，返回 false。否则，弹出栈顶元素并检查其是否与当前的右括号匹配。
3. 最终判断：遍历完成后，如果栈为空，则说明所有的括号都已匹配，返回 true；否则返回 false。

优化实现：使用 ArrayDeque 代替 Stack

虽然 Stack 是直接支持栈操作的类，但在性能上可以使用 ArrayDeque 来替代它。ArrayDeque 是一个双端队列，但也可以用作栈，且比 Stack 更高效。

使用 ArrayDeque 的代码实现

public boolean isValid(String s) {
    Deque<Character> stack = new ArrayDeque<>();
    for (char c : s.toCharArray()) {
        // 如果字符是左括号（小括号、大括号或方括号）
        if (c == '(' || c == '{' || c == '[') {
            // 将左括号压入栈中
            stack.push(c);
        } else {
            // 如果栈为空，则返回false，表示括号不匹配
            if (stack.isEmpty()) return false;
            // 弹出栈顶元素
            char top = stack.pop();
            // 判断右括号与栈顶元素是否匹配
            if (c == ')' && top != '(' ||
                c == '}' && top != '{' ||
                c == ']' && top != '[') return false;
        }
    }
    // 如果栈为空，表示所有括号都匹配成功，返回true；否则返回false
    return stack.isEmpty();
}

优化效果

ArrayDeque 提供了比 Stack 更好的性能表现，尤其在频繁的压入和弹出操作下。虽然两者在 API 上看似相同，但在底层实现上，ArrayDeque 基于数组而非同步的栈，因而避免了线程安全带来的额外开销。

总结

本文介绍了如何使用 Java 的 Stack 类和 ArrayDeque 类来实现括号匹配，并解释了其中的代码逻辑。通过使用 ArrayDeque 替代 Stack，我们可以进一步提升代码的性能。

对于初学者来说，掌握这些基础的数据结构和算法是至关重要的。希望这篇博客能够帮助你理解如何处理括号匹配问题，以及如何在 Java 中有效地使用栈来解决类似问题。