栈数据结构及其在 Go 中的应用

后端

2023-01-10 02:33:48

掌握栈数据结构：后进先出的秘密

在计算机科学的广袤天地里，栈数据结构就像一座优雅的灯塔，指引着程序员们高效地穿越数据海洋。作为一种后进先出（LIFO）的数据结构，栈以其简单而强大的特性著称，在编程世界中扮演着至关重要的角色。

栈的魅力：后进先出

想象一下一个堆满盘子的盘子架，当你想取最上面的盘子时，你会怎么做？没错，你必须先把上面的盘子一个接一个地取下来，才能拿到最底下的盘子。这种方式与栈数据结构的运作方式如出一辙。

栈本质上就像一个弹簧，后放入的数据会先弹出。当我们把数据推入栈中时，它们就被压在弹簧的下方。当我们从栈中弹出数据时，我们实际上是在释放弹簧的压力，让最上面的数据率先弹出。这种后进先出的特性使得栈在特定场景下大放异彩。

栈的实现：数组与链表

在计算机中，栈可以通过数组或链表来实现。数组实现相对简单，就像用一串数字填充一个盒子，每个数字对应着栈中的一项数据。然而，数组实现存在空间浪费的问题，因为栈中可能会留出很多未使用的空间。

链表实现则更加灵活，就像用珠子串成一条链条，每个珠子代表栈中的一项数据，并且通过指针相互连接。链表实现可以动态地分配内存，因此不会浪费空间。但与此同时，链表实现也比数组实现稍微复杂一些。

栈的应用：无处不在的场景

栈在计算机科学中有着广泛的应用，从日常生活中到复杂的技术场景。以下是一些常见的栈应用：

浏览器历史记录： 当你在网上浏览时，每一次点击都会将网页地址压入一个栈中。当你点击后退按钮时，栈顶的网页地址就会弹出，让你回到上一个网页。
函数调用： 当一个函数被调用时，它会将自己的局部变量、参数和返回地址压入一个栈中。当函数执行完毕后，栈顶的数据会被弹出，函数返回到调用它的代码中。
编译器解析： 编译器在解析表达式时会使用栈来存储中间结果。当表达式被解析完成后，栈顶的数据就会弹出，成为表达式的最终结果。

算法题中栈的身影

栈结构在算法题中也是一位得力助手，可以帮助我们解决各种棘手的问题。例如：

括号匹配： 我们可以利用栈来检查括号是否正确匹配。当遇到左括号时，将其压入栈中；当遇到右括号时，从栈中弹出左括号并进行匹配。如果栈为空，则括号匹配成功。
表达式求值： 栈可以帮助我们求解数学表达式。我们将操作数压入栈中，遇到运算符时，从栈中弹出操作数并进行运算。最终栈顶的数据就是表达式的结果。
逆波兰表达式求值： 逆波兰表达式是一种后缀表示法，其中操作符写在操作数的后面。我们可以使用栈来求解逆波兰表达式，通过将操作数压入栈中，遇到运算符时，从栈中弹出操作数并进行运算。

Go 语言中的栈实现

在 Go 语言中，我们可以使用数组或链表来实现栈数据结构。这里是一个使用数组实现的简单栈示例：

type Stack struct {
    top int
    data []int
}

func (s *Stack) Push(x int) {
    s.data = append(s.data, x)
    s.top++
}

func (s *Stack) Pop() int {
    if s.top == 0 {
        return -1 // 栈为空
    }
    s.top--
    return s.data[s.top]
}

func (s *Stack) Peek() int {
    if s.top == 0 {
        return -1 // 栈为空
    }
    return s.data[s.top-1]
}

func (s *Stack) IsEmpty() bool {
    return s.top == 0
}

func main() {
    s := Stack{}
    s.Push(1)
    s.Push(2)
    s.Push(3)
    fmt.Println(s.Peek()) // 3
    fmt.Println(s.Pop()) // 3
    fmt.Println(s.Pop()) // 2
    fmt.Println(s.Pop()) // 1
    fmt.Println(s.IsEmpty()) // true
}