线性数据结构(四) 栈

一、栈的实现

1. 抽象栈接口方法
public interface Stack<E> {
    /**
     * 查看栈中元素个数
     * @return
     */
    int getSize();

    /**
     * 判断栈是否为空
     * @return
     */
    boolean isEmpty();

    /**
     * 进栈
     * 将元素 e 压入栈中
     * @param e
     */
    void push(E e);

    /**
     * 出栈
     * 将栈顶的元素出栈
     * @return
     */
    E pop();

    /**
     * 查询栈顶的元素
     * @return
     */
    E peek();
}
2. 使用数组实现栈

数组的右侧作为栈顶。

public class ArrayStack<E> implements Stack<E> {
    private E[] data;
    private int size;

    public ArrayStack(int capacity) {
        data = (E[])new Object[capacity];
        this.size = 0;
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    @Override
    public void push(E e) {
        if (size == data.length) {
            throw new RuntimeException("push failed, Stack is full");
        }
        data[size] = e;
        size++;
    }

    @Override
    public E pop() {
        if (isEmpty()) {
            throw new NoSuchElementException("pop failed, stack is empty");
        }
        E ret = data[size - 1];
        size--;
        return ret;
    }

    @Override
    public E peek() {
        if (isEmpty()) {
            throw new NoSuchElementException("pop failed, stack is empty");
        }
        return data[size - 1];
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append("Stack: [");
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            sb.append(data[i]);
            if (i != size - 1) {
                sb.append(",");
            }
        }
        sb.append("] top");
        return sb.toString();
    }
}

但用静态数组有个缺点,就是一旦初始化,它的容量就变不了了。

public class DynamicArrayStack<E> implements Stack<E> {
    private ArrayList<E> data;

    public DynamicArrayStack(int capacity) {
        this.data = new ArrayList<>();
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return data.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return data.isEmpty();
    }

    @Override
    public void push(E e) {
        data.addLast(e);
    }

    @Override
    public E pop() {
        return data.removeLast();
    }

    @Override
    public E peek() {
        return data.getLast();
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append("Stack: [");
        for (int i = 0; i < data.getSize(); i++) {
            sb.append(data.get(i));
            if (i != data.getSize() - 1) {
                sb.append(",");
            }
        }
        sb.append("] top");
        return sb.toString();
    }
}
3. 链表实现栈

在链表的表头作为栈顶。 push 和 pop 的时间复杂度为 O(1)。

public class LinkedListStack<E> implements Stack<E> {
    private LinkedList<E> linkedList;

    public LinkedListStack() {
        linkedList = new LinkedList<>();
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return linkedList.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return linkedList.isEmpty();
    }

    @Override
    public void push(E e) {
        linkedList.addFirst(e);
    }

    @Override
    public E pop() {
        return linkedList.removeFirst();
    }

    @Override
    public E peek() {
        return linkedList.getFirst();
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("Stack:[");
        for (int i = linkedList.getSize() - 1; i >= 0; i--) {
            res.append(linkedList.get(i));
            if (i != 0) {
                res.append(", ");
            }
        }
        res.append("] top");
        return res.toString();
    }
}

Java中内置的栈是一个类,其底层是基于数组实现的。(可以去看源码)

二、两道练习

1. LeetCode20

https://leetcode-cn.com/problems/valid-parentheses

方案一:

class Solution {
    public boolean isValid(String s) {
        // 遇到匹配的 就把这两个字符删除
        // String 里没有删除字符的操作,首先我们把他变成 StringBuilder 
        StringBuilder sb = new StringBuilder(s);
        int count = sb.length()/2;
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            // j 和 j+1 每次遍历的时候都会消除一对括号
            // 那需要遍历多少趟呢? 需要遍历 s.length/2 趟
            for (int j = 0; j < sb.length() - 1; j++) {
                char c1 = sb.charAt(j);
                char c2 = sb.charAt(j + 1);
                // 如果相邻的字符符合要求,则删除
                if (isMatched(c1, c2)) {
                    // 注意 delete 不包含第二个参数
                    sb.delete(j, j + 2);
                    break;
                }
            }
        }
        return sb.length() == 0;
    }

    private boolean isMatched(char c1, char c2) {
        if ( c1 == '(')     return c2 == ')';
        else if (c1 == '[')  return c2 == ']';
        else if (c1 == '{')     return c2 == '}';    
        else  return false;
    }
}

方案二:碰到左括号进栈,碰到右括号出栈

class Solution {
    public boolean isValid(String s) {
        if (s == null) return true;
        Stack<Character> stack = new Stack<>();
        for (char c : s.toCharArray()) {
            if (c == ' ') continue;
            if (c == '(' || c == '{' || c == '[') {
                // 如果是左括号,则直接入栈
                stack.push(c);
            }  else {
                if (stack.isEmpty()) {
                    return false;
                }
                // 判断栈顶元素是否等于左括号对应的右括号
                char topElement = stack.pop();
                char matched = '#';
                if (c == ')')
                    matched = '(';
                else if (c == ']')
                    matched = '[';
                else
                    matched = '{';

                if (matched != topElement)
                    return false;
            }
        }
        // 如果栈不为空,那么也算没有匹配好
        return stack.isEmpty();
    }
}
2. LeetCode155

https://leetcode-cn.com/problems/min-stack

方案一:设置minStack

class MinStack {
    private Stack<Integer> dataStack;
    private Stack<Integer> minStack;
    /** initialize your data structure here. */
    public MinStack() {
        dataStack = new Stack<>();
        minStack = new Stack<>();
    }
    
    public void push(int val) {
        dataStack.push(val);
        // 非常要注意:这里要加上 = 号
        if (minStack.isEmpty() || val <= minStack.peek()) {
            minStack.push(val);
        }
    }
    
    public void pop() {
        int top = dataStack.pop();
        if (top == minStack.peek()) {
            minStack.pop();
        }
    }
    
    public int top() {
        return dataStack.peek();
    }
    
    public int getMin() {
        return minStack.peek();
    }
}

方案二:使用一个栈dataStack实现,dataStack中每一个节点,存储两个数据。

class MinStack {
    private Stack<Node> stack;
    /** initialize your data structure here. */
    public MinStack() {
        stack = new Stack<>();
    }
    
    public void push(int x) {
        Node node = new Node();
        node.val = x;
        int min = x;
        // 注意 这里的stack可能是空的
        if (!stack.isEmpty() && stack.peek().min < x) {
            min = stack.peek().min;
        }
        node.min = min;
        stack.push(node);
    }
    
    public void pop() {
        stack.pop();
    }
    
    public int top() {
        return stack.peek().val;
    }
    
    public int getMin() {
        return stack.peek().min;
    }
}

// 定义一个Node
class Node {
    int val;
    int min;
    Node next;
    public Node() {

    }

    public Node(int val, int min) {
        this.val = val;
        this.min = min;
    }
}

方案三:用链表实现最小栈

class MinStack {
    private Node dummyHead;
    /** initialize your data structure here. */
    public MinStack() { 
        dummyHead = new Node();
    }
    
    public void push(int x) {
        int min = x;
        Node head = dummyHead.next;
        // 注意 这里的head可能是空的
        if (head!=null && head.min < x) {
            min = head.min;
        }
        Node node = new Node(x,min);
        node.next = dummyHead.next;
        dummyHead.next = node;
    }
    
    public void pop() {
        Node head = dummyHead.next;
        if (head != null) {
            dummyHead.next = head.next;
            head.next = null;
        }
    }
    
    public int top() {
        return dummyHead.next.val;
    }
    
    public int getMin() {
        return dummyHead.next.min;
    }
}

// 定义一个Node
class Node {
    int val;
    int min;
    Node next;
    public Node() {

    }

    public Node(int val, int min) {
        this.val = val;
        this.min = min;
    }
}
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