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如何用链表、数组实现栈？轻松搞懂栈的数据结构！

后端

揭开栈的神秘面纱：后进先出（LIFO）的数据结构

在计算机科学和编程领域，栈是一种无处不在的数据结构，以其遵循的独特后进先出（LIFO）原则而著称。想象一下一个弹簧，当你添加物品时，你将其放在弹簧的顶部，当你想要获取物品时，你只能从顶部拿走。这就是栈的工作原理——最后添加的元素将首先被移除。

栈的应用

栈在现实世界中扮演着至关重要的角色，以下是一些常见的应用场景：

  • 函数调用： 当一个函数被调用时，栈会存储其局部变量和函数调用记录。当函数返回时，栈中的这些信息会被清除。
  • 编译器： 栈用于存储编译器在语法分析过程中遇到的标记。这有助于编译器跟踪语法结构并生成有效的机器代码。
  • 操作系统： 栈在管理进程和线程方面发挥着关键作用。每个进程都有自己专用的栈，用于存储程序计数器和局部变量。

使用数组实现栈

数组是实现栈的一种简单方法。数组本质上是一组按顺序排列的内存单元，为栈提供了一个方便的数据存储区。当向栈中添加一个元素（称为“push”操作）时，它被存储在数组的末尾。当从栈中删除一个元素（称为“pop”操作）时，它从数组的末尾移除。

// 使用数组实现栈的示例代码

public class StackArray {

    private int[] arr;
    private int size;

    public StackArray(int capacity) {
        arr = new int[capacity];
        size = 0;
    }

    public void push(int element) {
        if (size == arr.length) {
            int[] newArr = new int[arr.length * 2];
            System.arraycopy(arr, 0, newArr, 0, size);
            arr = newArr;
        }
        arr[size++] = element;
    }

    public int pop() {
        if (size == 0) {
            throw new IllegalStateException("Stack is empty");
        }
        return arr[--size];
    }

    // 其他方法（peek、isEmpty、size）略...
}

使用链表实现栈

与数组不同，链表是一种动态数据结构，它由一组称为“节点”的对象组成。每个节点包含一个数据元素和指向下一个节点的引用。链表允许栈在必要时动态增长或缩小。

// 使用链表实现栈的示例代码

public class StackLinkedList {

    private Node head;
    private int size;

    public StackLinkedList() {
        head = null;
        size = 0;
    }

    public void push(int element) {
        Node newNode = new Node(element);
        newNode.setNext(head);
        head = newNode;
        size++;
    }

    public int pop() {
        if (size == 0) {
            throw new IllegalStateException("Stack is empty");
        }
        int element = head.getData();
        head = head.getNext();
        size--;
        return element;
    }

    // 其他方法（peek、isEmpty、size）略...

    private class Node {

        private int data;
        private Node next;

        // 构造函数和 getter/setter 略...
    }
}

栈的优势

使用栈的一个主要优势是它易于实现。数组和链表都是实现栈的简单数据结构。此外，栈的LIFO特性使其非常适合处理函数调用、语法分析和进程管理等任务。

栈的局限性

然而，栈也有一些局限性。例如，当栈已满时，在数组实现中插入新元素可能会很昂贵，因为它需要创建一个新的、更大的数组。此外，栈不支持随机访问元素，因为只能从顶部访问元素。

常见问题解答

  1. 栈和队列有什么区别？

    • 栈遵循后进先出（LIFO）原则，而队列遵循先进先出（FIFO）原则。

  2. 栈可以存储什么类型的数据？

    • 栈可以存储任何类型的数据，包括整数、浮点数、字符串和对象。

  3. 什么时候使用栈更合适？

    • 栈在需要后进先出行为的情况下最有用，例如函数调用和语法分析。

  4. 栈和堆有什么区别？

    • 栈是一种静态分配的数据结构，这意味着它的内存大小在创建时固定。堆是一种动态分配的数据结构，这意味着它的内存大小可以在运行时增长和缩小。

  5. 栈溢出的原因是什么？

    • 栈溢出发生在尝试向已满的栈中添加新元素时。这会导致程序崩溃。