数据结构Java实现05----栈:顺序栈和链式堆栈
来源:互联网 发布:mvc权限管理系统源码 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 14:44
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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 @Override27 public Object getTop() throws Exception {28 // TODO Auto-generated method stub29 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 @Override38 public boolean isEmpty() {39 // TODO Auto-generated method stub40 return top == 0;41 }42 43 //出栈操作44 @Override45 public Object pop() throws Exception {46 // TODO Auto-generated method stub47 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 @Override57 public void push(Object obj) throws Exception {58 // TODO Auto-generated method stub59 //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); //true16 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9463125527 System.out.println(s4.hashCode()); //hashCode为9463125528 29 //identityHashCode方法用于获取原始的hashCode30 //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)); //210492845634 System.out.println(System.identityHashCode(s4)); //203444296135 36 System.out.println("\n-----------------\n");37 38 //hashCode相同39 System.out.println(s1.hashCode()); //9463125540 System.out.println(s2.hashCode()); //9463125541 42 //原始hashCode相同:表明确实是同一个对象43 System.out.println(System.identityHashCode(s1)); //64821799344 System.out.println(System.identityHashCode(s2)); //64821799345 }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 @Override12 public Object getTop() throws Exception {13 // TODO Auto-generated method stub14 return head.getElement();15 }16 17 @Override18 public boolean isEmpty() {19 // TODO Auto-generated method stub20 return head == null;21 }22 23 @Override24 public Object pop() throws Exception {25 // TODO Auto-generated method stub26 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 @Override36 public void push(Object obj) throws Exception {37 // TODO Auto-generated method stub38 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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