数据结构基础02：栈

栈的应用

栈是一种线性结构，只能从一端添加元素（入栈），也只能从这一端取出元素（出栈），这一端称为栈顶

后进先出（Last In First Out）

编辑器：撤销操作

操作系统：系统调用栈

编译器：括号匹配

数组实现栈

栈和队列的底层有多种实现的方式，用数组实现是其中一种

常用方法为push()、pop()、peek()、getSize()、isEmpty()

public class Algorithm {

    public static void main(String[] args) {

        ArrayStack<Integer> stack = new ArrayStack<>(20);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            
            stack.push(i);
            System.out.println(stack);
        }

        System.out.println(stack.getSize());
        System.out.println(stack.peek());

        stack.pop();
        System.out.println(stack);

        System.out.println(stack.isEmpty());
    }
}

/**
 * 创建一个栈接口，就可以使用不同的数据结构来实现栈
 */
interface Stack<E> {

    int getSize();
    boolean isEmpty();
    void push(E element);
    E pop();
    E peek();
}

/**
 * 数组实现栈
 */
class ArrayStack<E> implements Stack<E>{

    Array<E> array;

    public ArrayStack(int capacity){

        array = new Array<>(capacity);
    }

    public ArrayStack(){

        array = new Array<>();
    }

    /**
     * 重写栈接口的方法
     */
    @Override
    public int getSize() {

        return array.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {

        return array.isEmpty();
    }

    @Override
    public void push(E element) {

        array.addLast(element);
    }

    @Override
    public E pop() {

        return array.removeLast();
    }

    /**
     * peek()方法只能查看栈顶元素，对数组来说是最后一个元素，其他元素无法查看
     */
    @Override
    public E peek() {

        return array.getLast();
    }

    /**
     * 重写toString()方法打印栈的信息，注意array.toString()方法打印的是数组的信息
     */
    @Override
    public String toString() {

        StringBuilder str = new StringBuilder();

        str.append("Stack: [");

        for (int i = 0; i < array.getSize(); i++) {

            str.append(array.get(i));

            if (i != array.getSize() - 1){
                str.append(", ");
            }
        }
        str.append("] top");

        return str.toString();
    }
}

class Array<E> {

    private E[] data;
    private int size;

    public Array(int capacity){

        data = (E[]) new Object[capacity];
        size = 0;
    }

    public Array(){

        this(10);
    }

    public void add(int index, E element){

        if (index < 0 || index > size){
            throw new IllegalArgumentException("索引值非法");
        }

        if (size == data.length){
            resize(2 * data.length);
        }

        for (int i = size - 1; i >= index; i--) {
            data[i + 1] = data[i];
        }

        data[index] = element;
        size++;
    }

    /**
     * 栈只能在数组最后的位置增删元素
     */
    public void addLast(E element){

        add(size, element);
    }

    public E remove(int index){

        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IllegalArgumentException("索引值非法");
        }

        E target = data[index];

        for (int i = index; i < size - 1; i++) {
            data[i] = data[i + 1];
        }

        size--;
        data[size] = null;

        if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0){
            resize(data.length / 2);
        }

        return target;
    }

    public E removeLast(){

        return remove(size - 1);
    }

    public int getSize(){

        return size;
    }

    public E get(int index){

        if (index < 0 || index >= size) {
            throw new IllegalArgumentException("索引值非法");
        }

        return data[index];
    }

    public E getLast(){

        return get(size - 1);
    }

    private void resize(int newCapacity){

        E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity];

        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newData[i] = data[i];
        }

        data = newData;
    }

    public boolean isEmpty(){

        return size == 0;
    }
}

栈的复杂度分析

peek()、getSize()、isEmpty()方法的时间复杂度为O(1)

push()、pop()方法的均摊复杂度为O(1)