栈数据结构：基础入门与应用场景

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2023-09-20 21:44:33

在计算机科学浩瀚的海洋中，数据结构宛如一枚枚珍珠，串联起繁杂的数据，赋予其秩序与意义。今天，我们踏上征程，探寻栈数据结构的奥秘，揭开其在计算机王国中的精彩应用。

栈的定义与特性

栈是一种遵循后进先出（Last In First Out，简称LIFO）原则的数据结构。想象一座弹簧柱子，我们只能从柱子顶部放置或移除物品，新放置的物品总在柱子顶端，移除时也总是从顶端移除。这个比喻形象地诠释了栈的本质。

栈的实现

利用线性表（数组或链表）可以轻松实现栈。以数组为例，我们可以将数组视为弹簧柱子，数组的起始索引为柱子底部，最后一个索引为柱子顶部。新元素总是插入到最后一个索引位置，移除时也总是从最后一个索引位置移除。

栈的基本操作

栈提供一系列基本操作：

push(element) ：将元素压入栈顶。
pop() : 弹出并返回栈顶元素。
peek() : 返回栈顶元素，但不移除它。
isEmpty() : 检查栈是否为空。

栈的应用场景

栈在计算机科学中有着广泛的应用，包括：

函数调用 : 函数调用时，局部变量、参数和返回地址被压入栈中，函数返回时，这些信息被弹出栈中。
表达式求值 : 后缀表达式求值时，操作数和运算符被压入栈中，然后从栈中弹出进行计算。
浏览器历史记录 : 浏览器的前进和后退按钮实现中，访问过的URL被压入栈中，后退时从栈中弹出。
递归算法 : 递归算法通常使用栈来保存函数的调用记录，当函数被递归调用时，其参数和返回地址被压入栈中。

与队列的对比

栈与另一种数据结构队列不同，队列遵循先进先出（First In First Out，简称FIFO）原则。在队列中，先进入队列的元素先被移除，而栈中后进入的元素先被移除。

代码示例

下面是用Java实现的栈示例：

public class Stack {
    private int[] arr;
    private int top;

    public Stack(int size) {
        arr = new int[size];
        top = -1;
    }

    public void push(int element) {
        if (top < arr.length - 1) {
            arr[++top] = element;
        } else {
            throw new StackOverflowError();
        }
    }

    public int pop() {
        if (top >= 0) {
            return arr[top--];
        } else {
            throw new EmptyStackException();
        }
    }

    public int peek() {
        if (top >= 0) {
            return arr[top];
        } else {
            throw new EmptyStackException();
        }
    }

    public boolean isEmpty() {
        return top == -1;
    }
}