数据结构Java实现05----栈：顺序栈和链式堆栈
一、堆栈的基本概念：
堆栈（也简称作栈）是一种特殊的线性表，堆栈的数据元素以及数据元素间的逻辑关系和线性表完全相同，其差别是线性表允许在任意位置进行插入和删除操作，而堆栈只允许在固定一端进行插入和删除操作。
先进后出：堆栈中允许进行插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。堆栈的插入和删除操作通常称为进栈或入栈，堆栈的删除操作通常称为出栈或退栈。
备注：栈本身就是一个线性表，所以我们之前讨论过线性表的顺序存储和链式存储，对于栈来说，同样适用。
二、堆栈的抽象数据类型：
数据集合：
堆栈的数据集合可以表示为a0,a1,…,an-1，每个数据元素的数据类型可以是任意的类类型。
操作集合：
（1）入栈push(obj)：把数据元素obj插入堆栈。
（2）出栈pop()：出栈, 删除的数据元素由函数返回。
（3）取栈顶数据元素getTop()：取堆栈当前栈顶的数据元素并由函数返回。
（4）非空否notEmpty()：若堆栈非空则函数返回true，否则函数返回false。
三、顺序栈：
顺序存储结构的堆栈称作顺序堆栈。其存储结构示意图如下图所示：
1、顺序栈的实现：
（1）设计Stack接口
（2）实现SequenceStack类
注：栈是线性表的特例，线性表本身就是用数组来实现的。于是，顺序栈也是用数组实现的。
代码实现：
(1)Stack.java:（Stack接口）
1 public interface Stack { 2 3 //入栈 4 public void push(Object obj) throws Exception; 5 6 //出栈 7 public Object pop() throws Exception; 8 9 //获取栈顶元素 10 public Object getTop() throws Exception; 11 12 //判断栈是否为空 13 public boolean isEmpty(); 14 }
(2)SequenceStack.java:
1 //顺序栈 2 public class SequenceStack implements Stack { 3 4 Object[] stack; //对象数组（栈用数组来实现） 5 final int defaultSize = 10; //默认最大长度 6 int top; //栈顶位置（的一个下标）:其实可以理解成栈的实际长度 7 int maxSize; //最大长度 8 9 //如果用无参构造的话，就设置默认长度 10 public SequenceStack() { 11 init(defaultSize); 12 } 13 14 //如果使用带参构造的话，就调用指定的最大长度 15 public SequenceStack(int size) { 16 init(size); 17 } 18 19 public void init(int size) { 20 this.maxSize = size; 21 top = 0; 22 stack = new Object[size]; 23 } 24 25 //获取栈顶元素 26 @Override 27 public Object getTop() throws Exception { 28 // TODO Auto-generated method stub 29 if (isEmpty()) { 30 throw new Exception("堆栈为空！"); 31 } 32 33 return stack[top - 1]; 34 } 35 36 //判断栈是否为空 37 @Override 38 public boolean isEmpty() { 39 // TODO Auto-generated method stub 40 return top == 0; 41 } 42 43 //出栈操作 44 @Override 45 public Object pop() throws Exception { 46 // TODO Auto-generated method stub 47 if (isEmpty()) { 48 throw new Exception("堆栈为空！"); 49 } 50 top--; 51 52 return stack[top]; 53 } 54 55 //入栈操作 56 @Override 57 public void push(Object obj) throws Exception { 58 // TODO Auto-generated method stub 59 //首先判断栈是否已满 60 if (top == maxSize) { 61 throw new Exception("堆栈已满！"); 62 } 63 stack[top] = obj; 64 top++; 65 } 66 }
2、测试类：
设计一个顺序栈，从键盘输入十个整数压进栈，然后再弹出栈，并打印出栈序列。
代码实现：
(3)Test.java:
1 import java.util.Scanner; 2 3 public class Test { 4 public static void main(String[] args) throws Exception { 5 SequenceStack stack = new SequenceStack(10); 6 7 Scanner in = new Scanner(System.in); 8 int temp; 9 for (int i = 0; i < 10; i++) { 10 System.out.println("请输入第" + (i + 1) + "个整数："); 11 temp = in.nextInt(); 12 stack.push(temp); 13 } 14 15 //遍历输出 16 while (!stack.isEmpty()) { 17 System.out.println(stack.pop()); 18 } 19 } 20 }
运行效果：
四、Java中栈与堆的区别：
栈(stack):（线程私有）
是一个先进后出的数据结构，通常用于保存方法(函数)中的参数，局部变量。在java中,所有基本类型和引用类型的引用都在栈中存储。栈中数据的生存空间一般在当前scopes内(就是由{...}括起来的区域)。
堆(heap):（线程共享）
是一个可动态申请的内存空间(其记录空闲内存空间的链表由操作系统维护)，C中的malloc语句所产生的内存空间就在堆中。在java中，所有使用new xxx()构造出来的对象都在堆中存储，当垃圾回收器检测到某对象未被引用，则自动销毁该对象。所以，理论上说java中对象的生存空间是没有限制的，只要有引用类型指向它，则它就可以在任意地方被使用。
五、hashCode与对象之间的关系：
如果两个对象的hashCode不相同，那么这两个对象肯定也不同。
如果两个对象的hashCode相同，那么这两个对象有可能相同，也有可能不同。
总结一句：不同的对象可能会有相同的hashCode；但是如果hashCode不同，那肯定不是同一个对象。
代码举例：
1 public class StringTest { 2 3 public static void main(String[] args) { 4 5 //s1 和 s2 其实是同一个对象。对象的引用存放在栈中，对象存放在方法区的字符串常量池 6 String s1 = "china"; 7 String s2 = "china"; 8 9 //凡是用new关键创建的对象，都是在堆内存中分配空间。 10 String s3 = new String("china"); 11 12 //凡是new出来的对象，绝对是不同的两个对象。 13 String s4 = new String("china"); 14 15 System.out.println(s1 == s2); //true 16 System.out.println(s1 == s3); 17 System.out.println(s3 == s4); 18 System.out.println(s3.equals(s4)); 19 20 System.out.println("\n-----------------\n"); 21 /*String很特殊，重写从父类继承过来的hashCode方法，使得两个 22 *如果字符串里面的内容相等，那么hashCode也相等。 23 **/ 24 25 //hashCode相同 26 System.out.println(s3.hashCode()); //hashCode为94631255 27 System.out.println(s4.hashCode()); //hashCode为94631255 28 29 //identityHashCode方法用于获取原始的hashCode 30 //如果原始的hashCode不同，表明确实是不同的对象 31 32 //原始hashCode不同 33 System.out.println(System.identityHashCode(s3)); //2104928456 34 System.out.println(System.identityHashCode(s4)); //2034442961 35 36 System.out.println("\n-----------------\n"); 37 38 //hashCode相同 39 System.out.println(s1.hashCode()); //94631255 40 System.out.println(s2.hashCode()); //94631255 41 42 //原始hashCode相同：表明确实是同一个对象 43 System.out.println(System.identityHashCode(s1)); //648217993 44 System.out.println(System.identityHashCode(s2)); //648217993 45 } 46 }
上面的代码中，注释已经标明了运行的结果。通过运行结果我们可以看到，s3和s4的字符串内容相同，但他们是两个不同的对象，由于String类重写了hashCode方法，他们的hashCode相同，但原始的hashCode是不同的。
六、链式堆栈：
链式存储结构的堆栈称作链式堆栈。
与单链表相同，链式堆栈也是由一个个结点组成的，每个结点由两个域组成，一个是存放数据元素的数据元素域data，另一个是存放指向下一个结点的对象引用（即指针）域next。
堆栈有两端，插入数据元素和删除数据元素的一端为栈顶，另一端为栈底。链式堆栈都设计成把靠近堆栈头head的一端定义为栈顶。
依次向链式堆栈入栈数据元素a0, a1, a2, ..., an-1后，链式堆栈的示意图如下图所示：
1、设计链式堆栈：
(1)Node.java:结点类
1 //结点类 2 public class Node { 3 4 Object element; //数据域 5 Node next; //指针域 6 7 //头结点的构造方法 8 public Node(Node nextval) { 9 this.next = nextval; 10 } 11 12 //非头结点的构造方法 13 public Node(Object obj, Node nextval) { 14 this.element = obj; 15 this.next = nextval; 16 } 17 18 //获得当前结点的后继结点 19 public Node getNext() { 20 return this.next; 21 } 22 23 //获得当前的数据域的值 24 public Object getElement() { 25 return this.element; 26 } 27 28 //设置当前结点的指针域 29 public void setNext(Node nextval) { 30 this.next = nextval; 31 } 32 33 //设置当前结点的数据域 34 public void setElement(Object obj) { 35 this.element = obj; 36 } 37 38 public String toString() { 39 return this.element.toString(); 40 } 41 }
(2)Stack.java:
1 //栈接口 2 public interface Stack { 3 4 //入栈 5 public void push(Object obj) throws Exception; 6 7 //出栈 8 public Object pop() throws Exception; 9 10 //获得栈顶元素 11 public Object getTop() throws Exception; 12 13 //判断栈是否为空 14 public boolean isEmpty(); 15 }
(3)LinkStack.java:
1 public class LinkStack implements Stack { 2 3 Node head; //栈顶指针 4 int size; //结点的个数 5 6 public LinkStack() { 7 head = null; 8 size = 0; 9 } 10 11 @Override 12 public Object getTop() throws Exception { 13 // TODO Auto-generated method stub 14 return head.getElement(); 15 } 16 17 @Override 18 public boolean isEmpty() { 19 // TODO Auto-generated method stub 20 return head == null; 21 } 22 23 @Override 24 public Object pop() throws Exception { 25 // TODO Auto-generated method stub 26 if (isEmpty()) { 27 throw new Exception("栈为空！"); 28 } 29 Object obj = head.getElement(); 30 head = head.getNext(); 31 size--; 32 return obj; 33 } 34 35 @Override 36 public void push(Object obj) throws Exception { 37 // TODO Auto-generated method stub 38 head = new Node(obj, head); 39 size++; 40 }
(4)Test.java:测试类
1 import java.util.Scanner; 2 3 public class Test { 4 5 public static void main(String[] args) throws Exception { 6 //SequenceStack stack = new SequenceStack(10); 7 LinkStack stack = new LinkStack(); 8 Scanner in = new Scanner(System.in); 9 int temp; 10 for (int i = 0; i < 10; i++) { 11 System.out.println("请输入第" + (i + 1) + "个整数："); 12 temp = in.nextInt(); 13 stack.push(temp); 14 } 15 //遍历输出 16 while (!stack.isEmpty()) { 17 System.out.println(stack.pop()); 18 } 19 } 20 }
运行效果：
七、堆栈的应用:
堆栈是各种软件系统中应用最广泛的数据结构之一。括号匹配和表达式计算是编译软件中的基本问题，其软件设计中都需要使用堆栈。
- 括号匹配问题
- 表达式计算
1、括号匹配问题：
假设算术表达式中包含圆括号，方括号，和花括号三种类型。使用栈数据结构编写一个算法判断表达式中括号是否正确匹配，并设计一个主函数测试。
比如：
{a+[b+(c*a)/(d-e)]} 正确
([a+b)-(c*e)]+{a+b} 错误，中括号的次序不对
括号匹配有四种情况：
1.左右括号匹配次序不正确
2.右括号多于左括号
3.左括号多于右括号
4.匹配正确
下面我们就通过代码把这四种情况列举出来。
代码实现：
1 public class Test { 2 3 //方法：将字符串转化为字符串数组 4 public static String[] expToStringArray(String exp) { 5 int n = exp.length(); 6 String[] arr = new String[n]; 7 for (int i = 0; i < arr.length; i++) { 8 arr[i] = exp.substring(i, i + 1); 9 } 10 return arr; 11 } 12 13 //方法：括号匹配问题的检测 14 public static void signCheck(String exp) throws Exception { 15 SequenceStack stack = new SequenceStack(); 16 String[] arr = Test.expToStringArray(exp); 17 for (int i = 0; i < arr.length; i++) { 18 if (arr[i].equals("(") || arr[i].equals("[") || arr[i].equals("{")) { //当碰到都是左边的括号的时候，统统压进栈 19 stack.push(arr[i]); 20 } else if (arr[i].equals(")") && !stack.isEmpty() && stack.getTop().equals("(")) { //当碰到了右小括号时，如果匹配正确，就将左小括号出栈 21 stack.pop(); 22 } else if (arr[i].equals(")") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("(")) { 23 System.out.println("左右括号匹配次序不正确！"); 24 return; 25 } else if (arr[i].equals("]") && !stack.isEmpty() && stack.getTop().equals("[")) { 26 stack.pop(); 27 } else if (arr[i].equals("]") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("[")) { 28 System.out.println("左右括号匹配次序不正确！"); 29 return; 30 } else if (arr[i].equals("}") && !stack.isEmpty() && stack.getTop().equals("{")) { 31 stack.pop(); 32 } else if (arr[i].equals("}") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("{")) { 33 System.out.println("左右括号匹配次序不正确！"); 34 return; 35 } else if (arr[i].equals(")") || arr[i].equals("]") || arr[i].equals("}") && stack.isEmpty()) { 36 System.out.println("右括号多于左括号！"); 37 return; 38 } 39 } 40 if (!stack.isEmpty()) { 41 System.out.println("左括号多于右括号！"); 42 } else { 43 System.out.println("括号匹配正确！"); 44 } 45 } 46 47 48 public static void main(String[] args) throws Exception { 49 50 String str = "([(a+b)-(c*e)]+{a+b}"; 51 //括号匹配的检测 52 Test.signCheck(str); 53 } 54 }
运行效果：
上方代码中，第50行是一个错误的括号表达式，于是运行结果也很明显了。
2、表达式计算：
比如：
3+(6-4/2)*5=23
其后缀表达式为：3642/-5*+# (#符号为结束符)
现在要做的是：
使用链式堆栈，设计一个算法计算表达式，当我们输入后缀表达式后，能输出运行结果。
代码实现：
1 public class Test { 2 3 //方法：使用链式堆栈，设计一个算法计算表达式 4 public static void expCaculate(LinkStack stack) throws Exception { 5 char ch; //扫描每次输入的字符。 6 int x1, x2, b = 0; //x1,x2:两个操作数 ，b字符的ASCII码 7 System.out.println("输入后缀表达式并以#符号结束:"); 8 while ((ch = (char) (b = System.in.read())) != '#') { 9 //如果是数字，说明是操作数则压入堆栈 10 if (Character.isDigit(ch)) { 11 stack.push(new Integer(Character.toString(ch))); 12 } 13 //如果不是数字，说明是运算符 14 else { 15 x2 = ((Integer) stack.pop()).intValue(); 16 x1 = ((Integer) stack.pop()).intValue(); 17 switch (ch) { 18 case '+': 19 x1 += x2; 20 break; 21 case '-': 22 x1 -= x2; 23 break; 24 case '*': 25 x1 *= x2; 26 break; 27 case '/': 28 if (x2 == 0) { 29 throw new Exception("分母不能为零！"); 30 } else { 31 x1 /= x2; 32 } 33 break; 34 } 35 stack.push(new Integer(x1)); 36 } 37 } 38 System.out.println("后缀表达式计算结果是：" + stack.getTop()); 39 } 40 41 public static void main(String[] args) throws Exception { 42 LinkStack stack = new LinkStack(); 43 //(2+3)*(3-1)/2=5的后缀表达式为：23+31-*2/ 44 //方法：键盘输入后缀表达式，输出的得到计算结果 45 Test.expCaculate(stack); 46 47 } 48 }
运行效果：
