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）
public interface Stack {//入栈public void push(Object obj) throws Exception;//出栈public Object pop() throws Exception;//获取栈顶元素public Object getTop() throws Exception;//判断栈是否为空public boolean isEmpty();}
(2)SequenceStack.java:
//顺序栈public class SequenceStack implements Stack {Object[] stack; //对象数组（栈用数组来实现）final int defaultSize = 10; //默认最大长度int top; //栈顶位置（的一个下标）:其实可以理解成栈的实际长度int maxSize; //最大长度//如果用无参构造的话，就设置默认长度public SequenceStack() {init(defaultSize);}//如果使用带参构造的话，就调用指定的最大长度public SequenceStack(int size) {init(size);}public void init(int size) {this.maxSize = size;top = 0;stack = new Object[size];}//获取栈顶元素@Overridepublic Object getTop() throws Exception {// TODO Auto-generated method stubif (isEmpty()) {throw new Exception("堆栈为空！");}return stack[top - 1];}//判断栈是否为空@Overridepublic boolean isEmpty() {// TODO Auto-generated method stubreturn top == 0;}//出栈操作@Overridepublic Object pop() throws Exception {// TODO Auto-generated method stubif (isEmpty()) {throw new Exception("堆栈为空！");}top--;return stack[top];}//入栈操作@Overridepublic void push(Object obj) throws Exception {// TODO Auto-generated method stub//首先判断栈是否已满if (top == maxSize) {throw new Exception("堆栈已满！");}stack[top] = obj;top++;}}
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:
import java.util.Scanner;public class Test {public static void main(String[] args) throws Exception {SequenceStack stack = new SequenceStack(10);Scanner in = new Scanner(System.in);int temp;for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println("请输入第" + (i + 1) + "个整数：");temp = in.nextInt();stack.push(temp);}//遍历输出while (!stack.isEmpty()) {System.out.println(stack.pop());}}}
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：
public class StringTest {public static void main(String[] args) {//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String s1 = "china";String s2 = "china";//凡是用new关键创建的对象，都是在堆内存中分配空间。String s3 = new String("china");//凡是new出来的对象，绝对是不同的两个对象。String s4 = new String("china");System.out.println(s1 == s2); //trueSystem.out.println(s1 == s3);System.out.println(s3 == s4);System.out.println(s3.equals(s4));System.out.println("\n-----------------\n");/*String很特殊，重写从父类继承过来的hashCode方法，使得两个*如果字符串里面的内容相等，那么hashCode也相等。**///hashCode相同System.out.println(s3.hashCode()); //hashCode为94631255System.out.println(s4.hashCode()); //hashCode为94631255//identityHashCode方法用于获取原始的hashCode//如果原始的hashCode不同，表明确实是不同的对象//原始hashCode不同System.out.println(System.identityHashCode(s3)); //2104928456System.out.println(System.identityHashCode(s4)); //2034442961System.out.println("\n-----------------\n");//hashCode相同System.out.println(s1.hashCode()); //94631255System.out.println(s2.hashCode()); //94631255//原始hashCode相同：表明确实是同一个对象System.out.println(System.identityHashCode(s1)); //648217993System.out.println(System.identityHashCode(s2)); //648217993}}
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
//结点类public class Node {Object element; //数据域Node next; //指针域//头结点的构造方法public Node(Node nextval) {this.next = nextval;}//非头结点的构造方法public Node(Object obj, Node nextval) {this.element = obj;this.next = nextval;}//获得当前结点的后继结点public Node getNext() {return this.next;}//获得当前的数据域的值public Object getElement() {return this.element;}//设置当前结点的指针域public void setNext(Node nextval) {this.next = nextval;}//设置当前结点的数据域public void setElement(Object obj) {this.element = obj;}public String toString() {return this.element.toString();}}
(2)Stack.java:
//栈接口public interface Stack {//入栈public void push(Object obj) throws Exception;//出栈public Object pop() throws Exception;//获得栈顶元素public Object getTop() throws Exception;//判断栈是否为空public boolean isEmpty();}
(3)LinkStack.java:
public class LinkStack implements Stack {Node head; //栈顶指针int size; //结点的个数public LinkStack() {head = null;size = 0;}@Overridepublic Object getTop() throws Exception {// TODO Auto-generated method stubreturn head.getElement();}@Overridepublic boolean isEmpty() {// TODO Auto-generated method stubreturn head == null;}@Overridepublic Object pop() throws Exception {// TODO Auto-generated method stubif (isEmpty()) {throw new Exception("栈为空！");}Object obj = head.getElement();head = head.getNext();size--;return obj;}@Overridepublic void push(Object obj) throws Exception {// TODO Auto-generated method stubhead = new Node(obj, head);size++;}
(4)Test.java:测试类
import java.util.Scanner;public class Test {public static void main(String[] args) throws Exception {//SequenceStack stack = new SequenceStack(10);LinkStack stack = new LinkStack();Scanner in = new Scanner(System.in);int temp;for (int i = 0; i < 10; i++) {System.out.println("请输入第" + (i + 1) + "个整数：");temp = in.nextInt();stack.push(temp);}//遍历输出while (!stack.isEmpty()) {System.out.println(stack.pop());}}}
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
代码实现：
public class Test {//方法：将字符串转化为字符串数组public static String[] expToStringArray(String exp) {int n = exp.length();String[] arr = new String[n];for (int i = 0; i < arr.length; i++) {arr[i] = exp.substring(i, i + 1);}return arr;}//方法：括号匹配问题的检测public static void signCheck(String exp) throws Exception {SequenceStack stack = new SequenceStack();String[] arr = Test.expToStringArray(exp);for (int i = 0; i < arr.length; i++) {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stack.push(arr[i]);} 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stack.pop();} else if (arr[i].equals(")") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("(")) {System.out.println("左右括号匹配次序不正确！");return;} else if (arr[i].equals("]") && !stack.isEmpty() && stack.getTop().equals("[")) {stack.pop();} else if (arr[i].equals("]") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("[")) {System.out.println("左右括号匹配次序不正确！");return;} else if (arr[i].equals("}") && !stack.isEmpty() && stack.getTop().equals("{")) {stack.pop();} else if (arr[i].equals("}") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("{")) {System.out.println("左右括号匹配次序不正确！");return;} else if (arr[i].equals(")") || arr[i].equals("]") || arr[i].equals("}") && stack.isEmpty()) {System.out.println("右括号多于左括号！");return;}}if (!stack.isEmpty()) {System.out.println("左括号多于右括号！");} else {System.out.println("括号匹配正确！");}}public static void main(String[] args) throws Exception {String str = "([(a+b)-(c*e)]+{a+b}";//括号匹配的检测Test.signCheck(str);}}
运行效果：
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：A+(B-C/D)*E
代码实现：
public class Test {//方法：使用链式堆栈，设计一个算法计算表达式public static void expCaculate(LinkStack stack) throws Exception {char ch; //扫描每次输入的字符。int x1, x2, b = 0; //x1,x2:两个操作数 ，b字符的ASCII码System.out.println("输入后缀表达式并以#符号结束:");while ((ch = (char) (b = System.in.read())) != ‘#‘) {//如果是数字，说明是操作数则压入堆栈if (Character.isDigit(ch)) {stack.push(new Integer(Character.toString(ch)));}//如果不是数字，说明是运算符else {x2 = ((Integer) stack.pop()).intValue();x1 = ((Integer) stack.pop()).intValue();switch (ch) {case ‘+‘:x1 += x2;break;case ‘-‘:x1 -= x2;break;case ‘*‘:x1 *= x2;break;case ‘/‘:if (x2 == 0) {throw new Exception("分母不能为零！");} else {x1 /= x2;}break;}stack.push(new Integer(x1));}}System.out.println("后缀表达式计算结果是：" + stack.getTop());}public static void main(String[] args) throws Exception {LinkStack stack = new LinkStack();//(2+3)*(3-1)/2=5的后缀表达式为：23+31-*2///方法：键盘输入后缀表达式，输出的得到计算结果Test.expCaculate(stack);}}
运行效果：
时间： 2024-10-11 16:02:42