前言

棧最為一種的常用的數據結構，用“桶”來形容最合適不過；今天我們就來學習一下

正文

一、棧的定義？

1.“后進先出，先進后出”的數據結構。
2.從操作特性來看，是一種“操作受限”的線性表，只可以在一端插入和刪除數據。

二、為什么需要棧？

1.任何數據結構都是對特定應用場景的抽象，棧是一種操作受限的數據結構，其操作特性用數組和鏈表均可實現，但卻暴露太多的操作接口，使用時容易出錯；

2.當某個數據集合只涉及在一端插入和刪除數據，且滿足后進者先出，先進者后出的操作特性時，我們應該首選棧這種數據結構

三、如何實現棧？

棧可以用數組，鏈表來實現

1.以數組為例

空間復雜度為O(1)

時間復雜度大多數為O（1），特殊情況自動擴容拷貝原數組時為O（n）；

均攤時間復雜度接近於O（1）；

// 基於數組實現的順序棧
public class ArrayStack { private String[] items;  // 數組
  private int count;       // 棧中元素個數
  private int n;           // 棧的大小 // 初始化數組，申請一個大小為 n 的數組空間
  public ArrayStack(int n) { this.items = new String[n]; this.n = n; this.count = 0; } // 入棧操作
  public boolean push(String item) { // 數組空間不夠了，直接返回 false，入棧失敗。
    if (count == n) return false; // 將 item 放到下標為 count 的位置，並且 count 加一
    items[count] = item; ++count; return true; } // 出棧操作
  public String pop() { // 棧為空，則直接返回 null
    if (count == 0) return null; // 返回下標為 count-1 的數組元素，並且棧中元素個數 count 減一
    String tmp = items[count-1]; --count; return tmp; } }

（代碼來自於網絡，如有侵權請告知我刪除）

2.以鏈表為例（網上找的）

空間復雜度為O(1)

時間復雜度大多數為O（1）

public class StackOfLinked<Item> implements Iterable<Item> { //定義一個內部類，就可以直接使用類型參數
private class Node{ Item item; Node next; } private Node first; private int N; //構造器
public StackOfLinked(){} //添加
public void push(Item item){ Node oldfirst = first; first = new Node(); first.item = item; first.next = oldfirst; N++; } //刪除
public Item pop(){ Item item = first.item; first = first.next; N--; return item; } //是否為空
public boolean isEmpty(){ return N == 0; } //元素數量
public int size(){ return N; } //返回棧中最近添加的元素而不刪除它
public Item peek(){ return first.item; } @Override public Iterator<Item> iterator() { return new LinkedIterator(); } //內部類：迭代器
class LinkedIterator implements Iterator{ int i = N; Node t = first; @Override public boolean hasNext() { return i > 0; } @Override public Item next() { Item item = (Item) t.item; t = t.next; i--; return item; } } }

（代碼來自於網絡，如有侵權請告知我刪除）

四、棧的應用

1.函數調用中的應用

操作系統給每個線程分配了一塊獨立的內存空間，這塊內存被組織成“棧”這種結構，用來存儲函數調用時的臨時變量。每進入一個函數，就會將其中的臨時變量作為棧幀入棧，當被調用函數執行完成，返回之后，將這個函數對應的棧幀出棧。

2.在表達式求值中的應用（比如：34+13*9+44-12/3）

利用兩個棧，一個用來保存操作數，一個用來保存運算符。我們從左向右遍歷表達式，當遇到數字，我們就直接壓入操作數棧；當遇到運算符，就與運算符棧的棧頂元素進行比較，若比運算符棧頂元素優先級高，就將當前運算符壓入棧，若比運算符棧頂元素的優先級低或者相同，從運算符棧中取出棧頂運算符，從操作數棧頂取出2個操作數，然后進行計算，把計算完的結果壓入操作數棧，繼續比較。

（圖片來自於王爭）

3.棧在括號匹配中的應用（比如：{}{[()]()}）

用棧保存為匹配的左括號，從左到右一次掃描字符串，當掃描到左括號時，則將其壓入棧中；當掃描到右括號時，從棧頂取出一個左括號，如果能匹配上，則繼續掃描剩下的字符串。如果掃描過程中，遇到不能配對的右括號，或者棧中沒有數據，則說明為非法格式。
當所有的括號都掃描完成之后，如果棧為空，則說明字符串為合法格式；否則，說明未匹配的左括號為非法格式。

4.如何實現瀏覽器的前進后退功能？

我們使用兩個棧X和Y，我們把首次瀏覽的頁面依次壓如棧X，當點擊后退按鈕時，再依次從棧X中出棧，並將出棧的數據一次放入Y棧。當點擊前進按鈕時，我們依次從棧Y中取出數據，放入棧X中。當棧X中沒有數據時，說明沒有頁面可以繼續后退瀏覽了。當Y棧沒有數據，那就說明沒有頁面可以點擊前進瀏覽了。

（圖片來自於王爭）

五、兩個問題

1. 我們在講棧的應用時，講到用函數調用棧來保存臨時變量，為什么函數調用要用“棧”來保存臨時變量呢？用其他數據結構不行嗎？

答：因為函數調用的執行順序符合后進者先出，先進者后出的特點。

函數調用中經常嵌套，栗子：A調用B，B又調用C，那么就需要先把C執行完，結果賦值給B中的臨時變量，B的執行結果再賦值給A的臨時變量，嵌套越深的函數越需要被先執行，這樣剛好符合棧的特點，因此每次遇到函數調用，只需要壓棧，最后依次從棧頂彈出依次執行即可，根據數據結構是特定應用場景的抽象的原則，我們優先考慮棧結構。

2.我們都知道，JVM 內存管理中有個“堆棧”的概念。棧內存用來存儲局部變量和方法調用，堆內存用來存儲 Java 中的對象。那 JVM 里面的“棧”跟我們這里說的“棧”是不是一回事呢？如果不是，那它為什么又叫作“棧”呢？

答：內存中的堆棧和數據結構堆棧不是一個概念，可以說內存中的堆棧是真實存在的物理區，數據結構中的堆棧是抽象的數據存儲結構。
內存空間在邏輯上分為三部分：代碼區、靜態數據區和動態數據區，動態數據區又分為棧區和堆區。
代碼區：存儲方法體的二進制代碼。高級調度（作業調度）、中級調度（內存調度）、低級調度（進程調度）控制代碼區執行代碼的切換。
靜態數據區：存儲全局變量、靜態變量、常量，常量包括final修飾的常量和String常量。系統自動分配和回收。
棧區：存儲運行方法的形參、局部變量、返回值。由系統自動分配和回收。
堆區：new一個對象的引用或地址存儲在棧區，指向該對象存儲在堆區中的真實數據。