数据结构Java实现05----栈：顺序栈和链式堆栈
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）
1 public interface Stack {
2
3 //入栈
4 public void push(Object obj) throws Exception;
5
6 //出栈
7 public Object pop() throws Exception;
8
9 //获取栈顶元素
10 public Object getTop() throws Exception;
11
12 //判断栈是否为空
13 public boolean isEmpty();
14 }
(2)SequenceStack.java:
1 //顺序栈
2 public class SequenceStack implements Stack {
3
4 Object[] stack; //对象数组（栈用数组来实现）
5 final int defaultSize = 10; //默认最大长度
6 int top; //栈顶位置（的一个下标）:其实可以理解成栈的实际长度
7 int maxSize; //最大长度
8
9 //如果用无参构造的话，就设置默认长度
10 public SequenceStack() {
11 init(defaultSize);
12 }
13
14 //如果使用带参构造的话，就调用指定的最大长度
15 public SequenceStack(int size) {
16 init(size);
17 }
18
19 public void init(int size) {
20 this.maxSize = size;
21 top = 0;
22 stack = new Object[size];
23 }
24
25 //获取栈顶元素
26 @Override
27 public Object getTop() throws Exception {
28 // TODO Auto-generated method stub
29 if (isEmpty()) {
30 throw new Exception("堆栈为空！");
31 }
32
33 return stack[top - 1];
34 }
35
36 //判断栈是否为空
37 @Override
38 public boolean isEmpty() {
39 // TODO Auto-generated method stub
40 return top == 0;
41 }
42
43 //出栈操作
44 @Override
45 public Object pop() throws Exception {
46 // TODO Auto-generated method stub
47 if (isEmpty()) {
48 throw new Exception("堆栈为空！");
49 }
50 top--;
51
52 return stack[top];
53 }
54
55 //入栈操作
56 @Override
57 public void push(Object obj) throws Exception {
58 // TODO Auto-generated method stub
59 //首先判断栈是否已满
60 if (top == maxSize) {
61 throw new Exception("堆栈已满！");
62 }
63 stack[top] = obj;
64 top++;
65 }
66 }
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:
1 import java.util.Scanner;
2
3 public class Test {
4 public static void main(String[] args) throws Exception {
5 SequenceStack stack = new SequenceStack(10);
6
7 Scanner in = new Scanner(System.in);
8 int temp;
9 for (int i = 0; i < 10; i++) {
10 System.out.println("请输入第" + (i + 1) + "个整数：");
11 temp = in.nextInt();
12 stack.push(temp);
13 }
14
15 //遍历输出
16 while (!stack.isEmpty()) {
17 System.out.println(stack.pop());
18 }
19 }
20 }
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：
1 public class StringTest {
2
3 public static void main(String[] args) {
4
5 //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
6 String s1 = "china";
7 String s2 = "china";
8
9 //凡是用new关键创建的对象，都是在堆内存中分配空间。
10 String s3 = new String("china");
11
12 //凡是new出来的对象，绝对是不同的两个对象。
13 String s4 = new String("china");
14
15 System.out.println(s1 == s2); //true
16 System.out.println(s1 == s3);
17 System.out.println(s3 == s4);
18 System.out.println(s3.equals(s4));
19
20 System.out.println("\n-----------------\n");
21 /*String很特殊，重写从父类继承过来的hashCode方法，使得两个
22 *如果字符串里面的内容相等，那么hashCode也相等。
23 **/
24
25 //hashCode相同
26 System.out.println(s3.hashCode()); //hashCode为94631255
27 System.out.println(s4.hashCode()); //hashCode为94631255
28
29 //identityHashCode方法用于获取原始的hashCode
30 //如果原始的hashCode不同，表明确实是不同的对象
31
32 //原始hashCode不同
33 System.out.println(System.identityHashCode(s3)); //2104928456
34 System.out.println(System.identityHashCode(s4)); //2034442961
35
36 System.out.println("\n-----------------\n");
37
38 //hashCode相同
39 System.out.println(s1.hashCode()); //94631255
40 System.out.println(s2.hashCode()); //94631255
41
42 //原始hashCode相同：表明确实是同一个对象
43 System.out.println(System.identityHashCode(s1)); //648217993
44 System.out.println(System.identityHashCode(s2)); //648217993
45 }
46 }
上面的代码中，注释已经标明了运行的结果。通过运行结果我们可以看到，s3和s4的字符串内容相同，但他们是两个不同的对象，由于String类重写了hashCode方法，他们的hashCode相同，但原始的hashCode是不同的。
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
1 //结点类
2 public class Node {
3
4 Object element; //数据域
5 Node next; //指针域
6
7 //头结点的构造方法
8 public Node(Node nextval) {
9 this.next = nextval;
10 }
11
12 //非头结点的构造方法
13 public Node(Object obj, Node nextval) {
14 this.element = obj;
15 this.next = nextval;
16 }
17
18 //获得当前结点的后继结点
19 public Node getNext() {
20 return this.next;
21 }
22
23 //获得当前的数据域的值
24 public Object getElement() {
25 return this.element;
26 }
27
28 //设置当前结点的指针域
29 public void setNext(Node nextval) {
30 this.next = nextval;
31 }
32
33 //设置当前结点的数据域
34 public void setElement(Object obj) {
35 this.element = obj;
36 }
37
38 public String toString() {
39 return this.element.toString();
40 }
41 }
(2)Stack.java:
1 //栈接口
2 public interface Stack {
3
4 //入栈
5 public void push(Object obj) throws Exception;
6
7 //出栈
8 public Object pop() throws Exception;
9
10 //获得栈顶元素
11 public Object getTop() throws Exception;
12
13 //判断栈是否为空
14 public boolean isEmpty();
15 }
(3)LinkStack.java:
1 public class LinkStack implements Stack {
2
3 Node head; //栈顶指针
4 int size; //结点的个数
5
6 public LinkStack() {
7 head = null;
8 size = 0;
9 }
10
11 @Override
12 public Object getTop() throws Exception {
13 // TODO Auto-generated method stub
14 return head.getElement();
15 }
16
17 @Override
18 public boolean isEmpty() {
19 // TODO Auto-generated method stub
20 return head == null;
21 }
22
23 @Override
24 public Object pop() throws Exception {
25 // TODO Auto-generated method stub
26 if (isEmpty()) {
27 throw new Exception("栈为空！");
28 }
29 Object obj = head.getElement();
30 head = head.getNext();
31 size--;
32 return obj;
33 }
34
35 @Override
36 public void push(Object obj) throws Exception {
37 // TODO Auto-generated method stub
38 head = new Node(obj, head);
39 size++;
40 }
(4)Test.java:测试类
1 import java.util.Scanner;
2
3 public class Test {
4
5 public static void main(String[] args) throws Exception {
6 //SequenceStack stack = new SequenceStack(10);
7 LinkStack stack = new LinkStack();
8 Scanner in = new Scanner(System.in);
9 int temp;
10 for (int i = 0; i < 10; i++) {
11 System.out.println("请输入第" + (i + 1) + "个整数：");
12 temp = in.nextInt();
13 stack.push(temp);
14 }
15 //遍历输出
16 while (!stack.isEmpty()) {
17 System.out.println(stack.pop());
18 }
19 }
20 }
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
下面我们就通过代码把这四种情况列举出来。
代码实现：
1 public class Test {
2
3 //方法：将字符串转化为字符串数组
4 public static String[] expToStringArray(String exp) {
5 int n = exp.length();
6 String[] arr = new String[n];
7 for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
8 arr[i] = exp.substring(i, i + 1);
9 }
10 return arr;
11 }
12
13 //方法：括号匹配问题的检测
14 public static void signCheck(String exp) throws Exception {
15 SequenceStack stack = new SequenceStack();
16 String[] arr = Test.expToStringArray(exp);
17 for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
18 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
19 stack.push(arr[i]);
20 } 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
21 stack.pop();
22 } else if (arr[i].equals(")") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("(")) {
23 System.out.println("左右括号匹配次序不正确！");
24 return;
25 } else if (arr[i].equals("]") && !stack.isEmpty() && stack.getTop().equals("[")) {
26 stack.pop();
27 } else if (arr[i].equals("]") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("[")) {
28 System.out.println("左右括号匹配次序不正确！");
29 return;
30 } else if (arr[i].equals("}") && !stack.isEmpty() && stack.getTop().equals("{")) {
31 stack.pop();
32 } else if (arr[i].equals("}") && !stack.isEmpty() && !stack.getTop().equals("{")) {
33 System.out.println("左右括号匹配次序不正确！");
34 return;
35 } else if (arr[i].equals(")") || arr[i].equals("]") || arr[i].equals("}") && stack.isEmpty()) {
36 System.out.println("右括号多于左括号！");
37 return;
38 }
39 }
40 if (!stack.isEmpty()) {
41 System.out.println("左括号多于右括号！");
42 } else {
43 System.out.println("括号匹配正确！");
44 }
45 }
46
47
48 public static void main(String[] args) throws Exception {
49
50 String str = "([(a+b)-(c*e)]+{a+b}";
51 //括号匹配的检测
52 Test.signCheck(str);
53 }
54 }
运行效果：
上方代码中，第50行是一个错误的括号表达式，于是运行结果也很明显了。
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，当我们输入后缀表达式后，能输出运行结果。
代码实现：
1 public class Test {
2
3 //方法：使用链式堆栈，设计一个算法计算表达式
4 public static void expCaculate(LinkStack stack) throws Exception {
5 char ch; //扫描每次输入的字符。
6 int x1, x2, b = 0; //x1,x2:两个操作数 ，b字符的ASCII码
7 System.out.println("输入后缀表达式并以#符号结束:");
8 while ((ch = (char) (b = System.in.read())) != '#') {
9 //如果是数字，说明是操作数则压入堆栈
10 if (Character.isDigit(ch)) {
11 stack.push(new Integer(Character.toString(ch)));
12 }
13 //如果不是数字，说明是运算符
14 else {
15 x2 = ((Integer) stack.pop()).intValue();
16 x1 = ((Integer) stack.pop()).intValue();
17 switch (ch) {
18 case '+':
19 x1 += x2;
20 break;
21 case '-':
22 x1 -= x2;
23 break;
24 case '*':
25 x1 *= x2;
26 break;
27 case '/':
28 if (x2 == 0) {
29 throw new Exception("分母不能为零！");
30 } else {
31 x1 /= x2;
32 }
33 break;
34 }
35 stack.push(new Integer(x1));
36 }
37 }
38 System.out.println("后缀表达式计算结果是：" + stack.getTop());
39 }
40
41 public static void main(String[] args) throws Exception {
42 LinkStack stack = new LinkStack();
43 //(2+3)*(3-1)/2=5的后缀表达式为：23+31-*2/
44 //方法：键盘输入后缀表达式，输出的得到计算结果
45 Test.expCaculate(stack);
46
47 }
48 }
运行效果：
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