D3-栈[Java数据结构和算法]
1.栈的介绍stack
1.1是一个先进后出（First In Last Out-FILO）的有序列表
1.2 栈是限制线性表中元素的插入和删除只能在线性表的同一段进行的特殊线性表。允许插入和删除的一端，为变化的一端，称为栈顶。
另一端为固定的一端，称为栈底。
1.3 根据栈的定义可知，最后放入栈中元素在栈顶，最先放入的在栈底；删除元素正好相反，最后放入的元素最先删除，最先放入的元素最后删除。
1.4 入栈-push，出栈-pop
1.5 栈的应用场景
（1）子程序的调用：在调往子程序前，会先将下个指令的地址存到堆栈中，知道子程序执行完后再将地址取出，以回到原来的程序。
（2）处理递归调用：和子程序调用类似，只是除了存储下一个指令的地址外，也将参数、区域变量等数据存入堆栈中。
（3）表达式的转换[中缀表达式转后缀表达式]和求值
（4）二叉树的遍历
（5）图形的深度优先搜索法
1.6 实现栈的思路分析
（1）使用数组来模拟栈
（2）定义一个top表示栈顶，初始化-1
（3）入栈的操作，当有数据加入到栈时，top++，stack[top]=data;
（4）出栈的才做 int value=stack[top];top--;return value;
1.7 用数组实现栈
package cn.atguigu.stack; import java.util.Scanner; public class ArrayStackDemo { public static void main(String[] args)throws Exception { // TODO Auto-generated method stub //创建对象 ArrayStack arrayStack=new ArrayStack(4); String key=""; boolean loop=true;//控制是否需要退出菜单 Scanner scanner=new Scanner(System.in); while(loop) { System.out.println("show:表示显示栈"); System.out.println("exit:退出程序"); System.out.println("push:入栈"); System.out.println("pop:出栈"); key=scanner.next(); switch(key) { case "show": arrayStack.list(); break; case "push": System.out.println("请输入一个数："); int value=scanner.nextInt(); arrayStack.push(value); break; case "pop": System.out.println("出栈的数字为:"); System.out.println(arrayStack.pop()); break; case "exit": scanner.close(); loop=false; break; } } System.out.println("程序退出"); } } //定义ArrayStack表示栈 class ArrayStack{ private int maxSize;//栈的大小 private int[] stack;//数组，数组模拟栈，数据就放在数组中 private int top=-1;//top表示栈顶，初始化为-1 //构造器 public ArrayStack(int maxSize) { this.maxSize = maxSize; stack =new int[maxSize]; } //判断栈是否满 public boolean isFull() { return top==maxSize-1; } //判断栈空 public boolean isEmpty() { return top==-1; } //进栈 public void push(int value) { if(isFull()) { System.out.println("栈满，无法输入"); return; } top++; stack[top]=value; } //出栈 public int pop() { if(isEmpty()) { throw new RuntimeException("栈空，没有数据"); } int value=stack[top]; top--; return top; } //显示栈的情况,遍历时，需要从栈顶开始显示数据 public void list() { if(isEmpty()) { System.out.println("栈空，没有数据~~~"); return; } //需要从栈顶开始显示数据 for(int i=top;i>=0;i--) { System.out.printf("stack[%d]=%d\n",i,stack[i]); } } }
2. 使用栈完成计算一个表达式的结果（中缀表达式）
2.1 实现思路
（1）需要两个栈，一个是存放数字的栈numStack，一个存放符号的栈operStack
（2）通过一个index值，来遍历表达式
（3）若index是一个数字，直接入数栈numStack，若扫描到是符号，分情况存储：
-若operStack为空，直接入栈
-若operStack不为空，进行比较
--若当前操作符的优先级小于或等于栈中的操作符，就需要从numStack中pop出两个数，再从operStack中pop出一个符号，进行运算，将得到的结果入numStack，当前操作符入operStack。
--若当前的操作符的优先级大于栈中的操作符，直接入operStack栈
（4）扫描完毕后，顺序地从numStack和operStack中pop出相应的数和符号，并运行。
（5）最后在numStack中只有一个数，就是表达式结果
2.2 源代码
package cn.atguigu.stack; public class Calculator { public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub String expression="30+2*6-2"; //创建两个栈，一个为数栈，一个为符号栈 ArrayStack2 numstack=new ArrayStack2(10); ArrayStack2 operstack=new ArrayStack2(10); //定义需要的相关变量 int index=0; int num1=0; int num2=0; int oper=0; int res=0; char ch=' ';//将每次扫描得到的char保存到ch String keepNum=""; //开始while循环的扫描experession while(true) { //依次得到每一个字符 ch=expression.substring(index,index+1).charAt(0); //判断ch是什么，然后做相应的处理 if(operstack.isOperation(ch)) {//如果ch是运算符 if(operstack.isEmpty()) {//如果operStack为空，直接存入 operstack.push(ch);//直接存入 }else{//如果operStack不为空，需要再判断 if(operstack.priority(ch)>operstack.priority(operstack.peek())){ //若当前优先级别高于栈中的操作符，直接入栈 operstack.push(ch);//再将当前操作符入栈 }else {//否则，取出两个数字，进行计算 num1=numstack.pop(); num2=numstack.pop(); oper=operstack.pop(); res=numstack.cal(num1, num2, oper); numstack.push(res);//将计算结果入栈 operstack.push(ch);//将当前运算符入栈 } } }else {//如果不是运算符，直接入numStack栈 //分析思路 //1.当处理多位数时，不能发现是一个数就立即入栈，因为他可能是多位数 //2.在处理数，需要向expression的表达式index后再看以为，如果是数就进行扫描，如果是符号才进行入栈 //3.定义字符串变量，用于拼接 //处理多位数 keepNum+=ch; //若ch已经是expression的最后一位就直接入栈 if(index==expression.length()-1) { numstack.push(Integer.parseInt(keepNum)); }else { //判断下一个字符是不是数字，如果是继续扫描 if(operstack.isOperation(expression.substring(index+1, index+2).charAt(0))) { //如果后一位是运算符，入栈keepNum="1"或"123" numstack.push(Integer.parseInt(keepNum)); //清空 keepNum=""; } } } //让index加1，并单独按是否扫描到expression最后 index++; if(index>=expression.length()){ break; } } //当表达式扫描完毕，就顺序的从数栈和符号栈中pop出相应的数和符号 while(true) { //若符号栈为空，则计算到最后，数栈中只有一个数字 if(operstack.isEmpty()) { break; } num1=numstack.pop(); num2=numstack.pop(); oper=operstack.pop(); res=numstack.cal(num1, num2, oper); numstack.push(res); } System.out.printf("表达式%s=%d",expression,numstack.pop()); } } //先创建一个数组 class ArrayStack2{ private int maxSize;//栈的大小 private int[] stack;//数组，数组模拟栈，数据就放在数组中 private int top=-1;//top表示栈顶，初始化为-1 //构造器 public ArrayStack2(int maxSize) { this.maxSize = maxSize; stack =new int[maxSize]; } //该方法可以返回当前栈顶的值，但是不是真正的pop public int peek() { return stack[top]; } //判断栈是否满 public boolean isFull() { return top==maxSize-1; } //判断栈空 public boolean isEmpty() { return top==-1; } //进栈 public void push(int value) { if(isFull()) { System.out.println("栈满，无法输入"); return; } top++; stack[top]=value; } //出栈 public int pop() { if(isEmpty()) { throw new RuntimeException("栈空，没有数据"); } int value=stack[top]; top--; return value; } //显示栈的情况,遍历时，需要从栈顶开始显示数据 public void list() { if(isEmpty()) { System.out.println("栈空，没有数据~~~"); return; } //需要从栈顶开始显示数据 for(int i=top;i>=0;i--) { System.out.printf("stack[%d]=%d\n",i,stack[i]); } } //返回运算符的优先级，优先级由程序员来确定，优先级使用数字表示 //数字越大，则优先级越高 public int priority(int oper) { if(oper=='*'||oper=='/') { return 1; }else if(oper=='+'||oper=='-') { return 0; }else { return -1;//默认只有加减乘除 } } //判断是不是一个运算符 public boolean isOperation(char val) { return (val=='*'||val=='/'||val=='+'||val=='-'); } //计算方法 public int cal(int num1,int num2,int oper) { int res=0;//存放结果 switch(oper) { case '+': res=num1+num2;break; case '-': res=num2-num1;break; case '*': res=num1*num2;break; case '/': res=num2/num1;break; default:break; } return res; } }
3.前缀，中缀，后缀表达式
3.1 前缀表达式（波兰表达式）
（1）前缀表达式的操作运算符位于操作数之前
-（3+4）*5-6的前缀表达式就是- * + 3 4 5 6
（2）从右到左扫描表达式，遇到数字时，将数字压入堆栈，遇到运算符时，弹出栈顶的两个数，用运算符对他们做相应的计算，并将结果入栈，重复上述过程直到表达式最左端，最后运算得到的值即为表达式结果
-从右到左扫描，将6，5，4，3入栈，遇到+运算符时，弹出3，4，计算3+4，得到7，将7入栈；遇到*，弹出7和5，得到7*5=35，将35入栈；遇到-，弹出35和 6，计算35-6，得到29，29入栈，得到结果
3.2 中缀表达式
（1）中缀表达式就是常见的运算表达式
（2）对于计算机，一般需要将其转换为后缀表达式进行计算
3.3 后缀表达式（逆波兰表达式）
（1）与前缀表达式相似，只是运算符位于操作数后面
- （3+4）*5-6 3 4 +5 *6 -
a+b a b +
a+(b-c) a b c - +
a+(b-c)*d a b c - d * +
a+d*(b-c) a d b c - * +
a=1+3 a 1 3 + =
（2）从左到右扫描表达式，遇到数字时，将数字压入堆栈，遇到运算符时，弹出栈顶的两个数，用运算符对其做相应的计算，并将结果入栈；重复上述过程直到表达式最右端，最后运算得出的值即为表达式结果
-从左到右扫描，将3，4压入栈中，遇上+，弹出3，4，得3+4=7，将7压入栈中；将5压入栈中，遇上*；将5，7弹出，计算5*7=35；将35,6压入栈中；遇上-，弹出6，和35，计算35-6=29即为结果；
4.逆波兰计算器
4.1 任务
（1）输入一个逆波兰表达式，使用栈（stack）表示，计算其结果
（2）支持小括号和多位数整数
4.2源代码
package cn.atguigu.stack; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.Stack; public class PolandNotation { public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub //先定义逆波兰表达式 //(3+4)*5-6--> 3 4 + 5 * 6 - //说明：为了方便，逆波兰表达式中的数字和符号使用空格隔开 String suffixExpression="3 4 + 5 * 6 -"; //思路 //1.先将表达式放入ArrayList中 //2.将ArrayList传递给一个方法，遍历ArrayList配合栈完成计算 List<String> rpnlist=getListString(suffixExpression); System.out.println(rpnlist); int res=calculate(rpnlist); System.out.println(res); } //将一个逆波兰表达式，依次将数据和运算符放入到 ArrayList找那个 public static List<String> getListString(String suffixExpression){ //将suffixExpression分割 String[] split=suffixExpression.split(" "); List<String> list=new ArrayList<String>(); for(String ele:split) { list.add(ele); } return list; } //完成对逆波兰表达式的运算 public static int calculate(List<String> ls) { //创建栈，只需要一个栈即可 Stack<String> stack=new Stack<String>(); //遍历ls for(String item:ls) { //使用正则表达式取出数 if(item.matches("\\d+")) {//匹配的是多位数 //入栈 stack.push(item); }else { //pop出两个数，并运算，再入栈 int num2=Integer.parseInt(stack.pop()); int num1=Integer.parseInt(stack.pop()); int res=0; if(item.equals("+")) { res=num1+num2; }else if(item.equals("-")) { res=num1-num2; }else if(item.equals("*")) { res=num1*num2; }else if(item.equals("/")) { res=num1/num2; }else { throw new RuntimeException("运算符有误"); } stack.push(res+""); } } //最后留在stack中的数据就是运算结果 return Integer.parseInt(stack.pop()); } }
4.3 将中缀表达式转换为后缀表达式
（1）实现步骤：
-step1：初始化两个栈：运算符栈s1和存储中间结果的栈s2
-step2：从左到右扫描中缀表达式；
-step3：遇到操作数时，将其压入s2
-step4:遇到运算符时，比较其与s1栈顶运算符的优先级
--若s1为空，或栈顶运算符为左括号“（”，则直接将此运算符入栈；
--否则，若优先级比栈顶运算符的高，也将运算符压入s1；
--否则，将s1栈顶的运算符弹出并压入到s2中，再次转到与s1中新的栈顶运算符相比较；
-step5：遇到括号时
--若是左括号，则直接压入栈
--若是有括号，则依次弹出s1栈顶的运算符，并压入s2，直到左括号位置，此时将这一对括号丢弃
-step6：重复步骤2-5，直到表达式最右边
-step7：将s1中剩余的运算符依次弹出并压入s2
-step8：依次弹出s2中的元素并输出，结果的逆序即为中缀表达式对应的后缀表达式
（2）源代码
package cn.atguigu.stack; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.Stack; public class PolandNotation { //完成讲一个中缀表达式转成后缀表达式的功能 //说明 //1.(3+4)*5-6--> 3 4 + 5 * 6 - //2.因为直接对字符串进行操作，不方便，因此先将字符串准成中缀的表达式对应的List // String expression="(3+4)*5-6"; public static void main(String[] args) { // TODO Auto-generated method stub //先定义逆波兰表达式 //(3+4)*5-6--> 3 4 + 5 * 6 - //说明：为了方便，逆波兰表达式中的数字和符号使用空格隔开 String suffixExpression="3 4 + 5 * 6 -"; String Expression="1+((2+3)*4)-5"; List<String> infixExpressionList=toInfixExpressionList(Expression); System.out.println("中缀表达式List="+infixExpressionList); List<String> parseSuffixExpressionList=parseSuffixExpression(infixExpressionList); System.out.println("后缀表达式List="+parseSuffixExpressionList); int res=calculate(parseSuffixExpressionList); System.out.println("结果为="+res); /* * //思路 //1.先将表达式放入ArrayList中 //2.将ArrayList传递给一个方法，遍历ArrayList配合栈完成计算 * List<String> rpnlist=getListString(suffixExpression); * System.out.println(rpnlist); * */ } //将得到的中缀表达式对应的list-->后缀表达式对应的list public static List<String> parseSuffixExpression(List<String> ls){ //定义两个栈 Stack<String> s1=new Stack<String>();//符号栈 //因为s2栈在整个转换过程中，没有pop操作，而且在后续过程中需要逆序输出 //直接使用List<String>代替Stack<String> List<String> s2=new ArrayList<String>();//存储中间结果的s2 //遍历ls for(String item:ls) { //如果是一个数，加入s2 if(item.matches("\\d+")) { s2.add(item); }else if(item.equals("(")) { s1.push(item); }else if(item.equals(")")) { //如果是右括号，则依次弹出s1栈顶的运算符，并压入s2，直到遇到左括号为止，此时这一对括号抛弃 while(!s1.peek().equals("(")) { s2.add(s1.pop()); } s1.pop();//将左括号弹出，消除小括号 }else { //当item的优先级小于等于栈顶，将s1栈顶运算符弹出并加入到s2中，再次转到4.1与s1中新的栈顶运算符相比较 while(s1.size()!=0&&Operation.getValue(s1.peek())>=Operation.getValue(item)) { s2.add(s1.pop()); } //还需要将item压入栈 s1.push(item); } } //将s1中剩余的运算符弹出并加入到s2 while(s1.size()!=0) { s2.add(s1.pop()); } return s2;//存放List，因此按顺序输出就是逆波兰表达式 } //将中缀表达式转成对应的List public static List<String> toInfixExpressionList(String s){ //定义一个List，存放中缀表达式，对应的内容 List<String> ls=new ArrayList<String>(); int i=0;//指针，用于遍历中缀表达式字符串 String str;//对多位数进行拼接 char c;//每遍历到一个字符，就放入到c do { //如果c是一个非数字，需要加入到ls中去 if((c=s.charAt(i))<48||(c=s.charAt(i))>57) { ls.add(""+c); i++; }else { //如果是一个数，需要考虑多位数 str="";//先将str置成空串 while(i<s.length()&&(c=s.charAt(i))>=48&&(c=s.charAt(i))<=57) { str+=c;//拼接 i++; } ls.add(str); } }while(i<s.length()); return ls; } //将一个逆波兰表达式，依次将数据和运算符放入到 ArrayList public static List<String> getListString(String suffixExpression){ //将suffixExpression分割 String[] split=suffixExpression.split(" "); List<String> list=new ArrayList<String>(); for(String ele:split) { list.add(ele); } return list; } //完成对逆波兰表达式的运算 public static int calculate(List<String> ls) { //创建栈，只需要一个栈即可 Stack<String> stack=new Stack<String>(); //遍历ls for(String item:ls) { //使用正则表达式取出数 if(item.matches("\\d+")) {//匹配的是多位数 //入栈 stack.push(item); }else { //pop出两个数，并运算，再入栈 int num2=Integer.parseInt(stack.pop()); int num1=Integer.parseInt(stack.pop()); int res=0; if(item.equals("+")) { res=num1+num2; }else if(item.equals("-")) { res=num1-num2; }else if(item.equals("*")) { res=num1*num2; }else if(item.equals("/")) { res=num1/num2; }else { throw new RuntimeException("运算符有误"); } stack.push(res+""); } } //最后留在stack中的数据就是运算结果 return Integer.parseInt(stack.pop()); } } //编写一个类Operation 可以返回一个运算符对应的优先级 class Operation{ private static int ADD=1; private static int SUB=1; private static int MUL=2; private static int DIV=2; //返回对应的优先级数字 public static int getValue(String operation) { int result=0; switch(operation) { case "+": result=ADD; break; case "-": result=SUB; break; case "*": result=MUL; break; case "/": result=DIV; break; default: System.out.println("不存在该运算符"); break; } return result; } }
