基础数据结构 -- 栈

1. 简介

堆栈又名栈（stack），他是计算机科学中最基础的数据结构之一。可以算是一种受限制的线性结构，，具有后进先出（LIFO， Last In First Out）的特性。由于此特性，堆栈常用一维数组和链表等线性结构来实现。

2. 特点

栈的特点特别简单，先入后出，后入先出。

2.1 图解

栈的主要功能也很简单，无非就是出栈（pop）、入栈（push）和查看栈顶元素。由于这种限制，栈中元素的移除顺序与添加顺序相反，体现了后进先出的特性。

栈的重要术语：

栈顶：栈中允许进行插入和删除操作的端部。
栈底：与栈顶相对，是不能进行插入和删除操作的端部。
空栈：不含任何元素的栈。

栈的基本操作：

入栈：也称为压栈，是指在栈顶添加新的元素。
出栈：是指移除栈顶的元素，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。
查看栈顶元素：此操作允许用户查看栈顶元素而不移除它。

2.2 结构

在java中，栈（Stack）的底层实现就是数组（Vector）。

数组实现的栈在尾部进行插入和删除操作时效率较高，而链表实现的栈虽然在空间使用上更加灵活，但需要更复杂的数据结构来支持高效的插入和删除操作。

jdk源码中Stack的实现也很简洁，如下图

主要的常用功能就三个：

public E push(E item)	入栈，在栈顶添加元素
public synchronized E pop()	出栈，返回栈顶元素并删除
public synchronized E peek()	返回栈顶元素，但不删除

2.3 使用

public class StackExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个空的栈对象Stack<Integer> stack = new Stack<>();// 向栈中压入元素stack.push(1);stack.push(2);stack.push(3);// 输出栈的大小System.out.println("栈的大小：" + stack.size());// 查看栈顶元素System.out.println("栈顶元素：" + stack.peek());// 弹出栈顶元素int topElement = stack.pop();System.out.println("弹出的元素：" + topElement);// 再次查看栈顶元素System.out.println("新的栈顶元素：" + stack.peek());// 判断栈是否为空System.out.println("栈是否为空：" + stack.isEmpty());}
}// 结果
栈的大小：3
栈顶元素：3
弹出的元素：3
新的栈顶元素：2
栈是否为空：false

3. 用途

表达式求值
- 逆波兰表达式求值：栈可以用于计算后缀表达式的值，通过遍历表达式，将数字压入栈中，遇到运算符则从栈中弹出相应数量的数字进行计算，再将结果压回栈中。
括号匹配
- 符号匹配：栈可以用于检查表达式中的括号是否匹配，通过遍历表达式，每当遇到左括号时，将其压入栈中；当遇到右括号时，判断栈顶元素是否为对应的左括号，并出栈。
算法辅助数据结构
- 深度优先搜索：在图形算法中，栈可以用于实现深度优先搜索，通过遍历节点并将未访问的邻接节点压入栈中，然后在后续的探索中继续这个过程。
历史记录
- 网页浏览器历史：浏览器的前进和后退功能可以通过两个栈来实现，一个栈用于存储已访问的页面，另一个栈用于存储回退的页面。
撤销操作
- 编辑器撤销：在文本编辑器中，每次编辑操作都可以被记录在一个栈中，当用户执行撤销操作时，可以从栈中取出最近的操作并执行相反的操作。
递归处理
- 递归转迭代：在处理递归问题时，可以使用栈来模拟递归调用的过程，将递归转换为迭代，从而避免栈溢出的风险。
函数调用堆栈
- 异常处理：在Java中，异常的传播和处理可以通过栈来实现，每个方法调用时的异常信息都会被记录在栈帧中，直到找到合适的异常处理器。