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2023-04-10 23:59:22 +08:00
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# 栈
「栈 Stack」是一种遵循先入后出first in, last out数据操作规则的线性数据结构。我们可以将栈类比为放在桌面上的一摞盘子,如果需要拿出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次取出。
「栈 Stack」是一种遵循先入后出First In, Last Out则的线性数据结构。
“盘子”是一种形象比喻,我们将盘子替换为任意一种元素(如整数、字符、对象等),就得到了栈数据结构。
我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子,如果需要拿出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次取出。我们将盘子替换为各种类型的元素(如整数、字符、对象等),就得到了栈数据结构。
我们将这一摞元素的顶部称为「栈顶」,底部称为「栈底」将把元素添加到栈顶的操作称为「入栈」,删除栈顶元素的操作称为「出栈」。
在栈中,我们把堆叠元素的顶部称为「栈顶」,底部称为「栈底」将把元素添加到栈顶的操作叫做「入栈」,删除栈顶元素的操作叫做「出栈」。
![栈的先入后出规则](stack.assets/stack_operations.png)
## 栈常用操作
栈的常用操作下表方法名需根据编程语言来确定,此处我们以常见的 `push` , `pop` , `peek` 为例。
栈的常用操作下表所示,具体的方法名需根据所使用的编程语言来确定。在此,我们以常见的 `push()` , `pop()` , `peek()` 命名为例。
<div class="center-table" markdown>
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</div>
我们可以直接使用编程语言实现好的栈类。 某些语言并未专门提供栈类,我们可以直接把该语言的「数组」或「链表」作栈来使用,并通过“脑补”来屏蔽无关操作。
通常情况下,我们可以直接使用编程语言内置的栈类。然而,某些语言可能没有专门提供栈类,这时我们可以该语言的「数组」或「链表」作栈来使用,并通过“脑补”来忽略与栈无关操作。
=== "Java"
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## 栈的实现
为了更加清晰地了解栈的运行机制,接下来我们来自己动手实现一个栈类。
为了深入了解栈的运行机制,我们来尝试自己实现一个栈类。
规定元素是先入后出的,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组链表都可以在任意位置添加删除元素,因此 **栈可被看作是一种受约束的数组或链表**。换言之,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使对外表现逻辑符合栈的规定即可
遵循先入后出的原则,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组链表都可以在任意位置添加删除元素,**因此栈可以被视为一种受限制的数组或链表**。换句话说,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使对外表现逻辑符合栈的特性
### 基于链表的实现
使用链表实现栈时,将链表的头节点看作栈顶,尾节点看作栈底。
使用链表实现栈时,我们可以将链表的头节点视为栈顶,尾节点视为栈底。
对于入栈操作,将元素插入链表头部即可,这种节点添加方式被称为“头插法”。而对于出栈操作,将头节点从链表中删除即可。
对于入栈操作,我们只需将元素插入链表头部,这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于出栈操作,只需将头节点从链表中删除即可。
=== "LinkedListStack"
![基于链表实现栈的入栈出栈操作](stack.assets/linkedlist_stack.png)
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### 基于数组的实现
使用「数组」实现栈时,考虑将数组的尾部作栈顶。这样设计下,入栈」与「出栈操作就对应在数组尾部添加元素」与「删除元素,时间复杂度都为 $O(1)$ 。
在基于「数组」实现栈时,我们可以将数组的尾部作栈顶。这样设计下,入栈出栈操作就分别对应在数组尾部添加元素删除元素,时间复杂度都为 $O(1)$ 。
=== "ArrayStack"
![基于数组实现栈的入栈出栈操作](stack.assets/array_stack.png)
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=== "pop()"
![array_stack_pop](stack.assets/array_stack_pop.png)
由于入栈的元素可能源源不断,因此可以使用支持动态扩容的「列表」,这样就无需自行实现数组扩容。以下示例代码。
由于入栈的元素可能源源不断地增加,因此我们可以使用动态数组,这样就无需自行处理数组扩容问题。以下示例代码。
=== "Java"
@ -412,28 +412,28 @@
### 支持操作
两种实现都支持栈定义中的各项操作数组实现额外支持随机访问,但这已超出栈的定义范畴,一般不会用到。
两种实现都支持栈定义中的各项操作数组实现额外支持随机访问,但这已超出栈的定义范畴,因此一般不会用到。
### 时间效率
数组(列表)实现中,入栈出栈操作都是在预先分配好的连续内存中操作,具有很好的缓存本地性,效率很好。然而,如果入栈时超出数组容量,会触发扩容机制,那么该次入栈操作的时间复杂度为 $O(n)$ 。
基于数组的实现中,入栈出栈操作都是在预先分配好的连续内存中进行,具有很好的缓存本地性,因此效率较高。然而,如果入栈时超出数组容量,会触发扩容机制,导致该次入栈操作的时间复杂度为 $O(n)$ 。
在链表实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时变慢的问题。然而,入栈操作需要初始化节点对象并修改指针,因效率不如数组。进一步地思考,如果入栈元素不是 `int` 而是节点对象,那么可以省去初始化步骤,从而提效率。
在链表实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是,入栈操作需要初始化节点对象并修改指针,因效率相对较低。不过,如果入栈元素本身就是节点对象,那么可以省去初始化步骤,从而提效率。
综上所述,当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型(如 `int` , `double` )时,则结论如下
综上所述,当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型(如 `int` , `double` )时,我们可以得出以下结论
- 数组实现的栈在触发扩容时会变慢,但由于扩容是低频操作,因此 **总体效率更高**
- 链表实现的栈可以提供 **更加稳定的效率表现**
- 基于数组实现的栈在触发扩容时效率会降低,但由于扩容是低频操作,因此平均效率更高;
- 基于链表实现的栈可以提供更加稳定的效率表现;
### 空间效率
在初始化列表时,系统会列表分配“初始容量”,该容量可能超过我们的需求。并且扩容机制一般是按照特定倍率(如 2 倍)进行扩容,扩容后的容量也可能超出我们的需求。因此,**数组实现栈会造成一定的空间浪费**。
在初始化列表时,系统会列表分配“初始容量”,该容量可能超过实际需求。并且扩容机制通常是按照特定倍率(如 2 倍)进行扩容,扩容后的容量也可能超出实际需求。因此,**基于数组实现的栈可能造成一定的空间浪费**。
然,由于节点需要额外存储指针,因此 **链表节点比数组元素占用更大**
,由于链表节点需要额外存储指针,**因此链表节点占用的空间相对较大**。
综上,我们不能简单地确定哪种实现更加省内存,需要 case-by-case 地分析。
综上,我们不能简单地确定哪种实现更加省内存,需要针对具体情况进行分析。
## 栈典型应用
- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就将上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过「后退」操作回到上一页面后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么需要两个栈来配合实现。
- **程序内存管理**。每调用函数时,系统会在栈顶添加一个栈帧,用记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推会不断执行入栈向上回溯阶段时出栈
- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就将上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过「后退」操作回到上一页面后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么需要两个栈来配合实现。
- **程序内存管理**。每调用函数时,系统会在栈顶添加一个栈帧,用记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推阶段会不断执行入栈操作,而向上回溯阶段则会执行出栈操作