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2、我们在讲栈的应用时,讲到用函数调用栈来保存临时变量,为什么函数调用要用“栈”来保存临时变量呢?用其他数据结构不行吗?
前言
一提到栈,作为一名Java程序员,最先想到的时候是不是JVM中的堆栈,这里要做下区分,我们今天介绍的是一种数据结构一种抽象的数据存储结构,Jvm中堆栈,是内存中真实存在的物理区。存储运行方法的形参、局部变量、返回值。由系统自动分配和回收。
栈的特性
- FILO先进后出。
- 只允许在一端插入和删除数据。
栈这种数据结构在结构上做了比较多的限制,相对于数组和链表,
但是当某个数据集只涉及在一端插入和删除的时候,并且满足先进后出,后进先出的特性吗,这是我们就应该首选栈这种数据结构。比如函数的调用链路就是栈这种数据结构保存的链路信息。
如何实现一个栈
栈既可以用数组来实现,也可以用链表来实现,用数组实现的栈,我们叫做顺序栈,用链表实现的栈,我们叫做链式栈。
具体的参考代码如下:
// 基于数组实现的顺序栈
public class ArrayStack {
private String[] items; // 数组
private int count; // 栈中元素个数
private int n; //栈的大小
// 初始化数组,申请一个大小为n的数组空间
public ArrayStack(int n) {
this.items = new String[n];
this.n = n;
this.count = 0;
}
// 入栈操作
public boolean push(String item) {
// 数组空间不够了,直接返回false,入栈失败。
if (count == n) return false;
// 将item放到下标为count的位置,并且count加一
items[count] = item;
++count;
return true;
}
// 出栈操作
public String pop() {
// 栈为空,则直接返回null
if (count == 0) return null;
// 返回下标为count-1的数组元素,并且栈中元素个数count减一
String tmp = items[count-1];
--count;
return tmp;
}
}
栈操作的时间复杂度。
不管是顺序栈还是链式栈,我们存储数据只需要一个大小为n的数组就够了。在入栈和出栈过程中,只需要一两个临时变量存储空间,所以空间复杂度是O(1)。
注意,这里存储数据需要一个大小为n的数组,并不是说空间复杂度就是O(n)。因为,这n个空间是必须的,无法省掉。所以我们说空间复杂度的时候,是指除了原本的数据存储空间外,算法运行还需要额外的存储空间。
空间复杂度分析是不是很简单?时间复杂度也不难。不管是顺序栈还是链式栈,入栈、出栈只涉及栈顶个别数据的操作,所以时间复杂度都是O(1).
栈的应用场景
栈在函数调用中的应用
我们知道,操作系统给每个线程分配了一块独立的内存空间,这块内存被组织成“栈”这种结构,用来存储函数调用时的临时变量。每进入一个函数,就会将临时变量作为一个栈帧入栈,当被调用函数执行完成,返回之后,将这个函数对应的栈帧出栈。
栈在数字运算里面的应用
我们将算术表达式简化为只包含加减乘除四则运算,比如:34+13*9+44-12/3。对于这个四则运算,我们人脑可以很快求解出答案,但是对于计算机来说,理解这个表达式本身就是个挺难的事儿。如果换作你,让你来实现这样一个表达式求值的功能,你会怎么做呢?
实际上,编译器就是通过两个栈来实现的。其中一个保存操作数的栈,另一个是保存运算符的栈。我们从左向右遍历表达式,当遇到数字,我们就直接压入操作数栈;
当遇到运算符,就与运算符栈的栈顶元素进行比较。如果比运算符栈顶元素的优先级高,就将当前运算符压入栈;如果比运算符栈顶元素的优先级低或者相同,从运算符栈中取栈顶运算符,从操作数栈的栈顶取2个操作数,然后进行计算,再把计算完的结果压入操作数栈,继续比较。
栈在括号里面的应用
我们同样简化一下背景。我们假设表达式中只包含三种括号,圆括号()、方括号[]和花括号{},并且它们可以任意嵌套。比如,{[] ()[{}]}或[{()}([])]等都为合法格式,而{[}()]或[({)]为不合法的格式。
那我现在给你一个包含三种括号的表达式字符串,如何检查它是否合法呢?这里也可以用栈来解决。我们用栈来保存未匹配的左括号,从左到右依次扫描字符串。当扫描到左括号时,则将其压入栈中;当扫描到右括号时,从栈顶取出一个左括号。
如果能够匹配,比如“(”跟“)”匹配,“[”跟“]”匹配,“{”跟“}”匹配,则继续扫描剩下的字符串。如果扫描的过程中,遇到不能配对的右括号,或者栈中没有数据,则说明为非法格式。当所有的括号都扫描完成之后,如果栈为空,则说明字符串为合法格式;否则,说明有未匹配的左括号,为非法格式。
问题
1、如何实现浏览器的前进和后退
我们用两个数据栈来保存浏览器前进和后退的信息,假设分别是前进栈Forward栈,后退栈Back栈,我们依次点击了A,B,C三个页面,依次进入Forward栈,前进的时候,依次从出栈,并压入Back栈。如果是后退的时候,依次从Back出栈,并依次压入Forward栈,这样就可以实现浏览器的前进和后退了。
2、我们在讲栈的应用时,讲到用函数调用栈来保存临时变量,为什么函数调用要用“栈”来保存临时变量呢?用其他数据结构不行吗?
其实,我们并一定要用栈这种数据机构来保存临时变量,只不过函数调用的场景,恰巧复核先进先出的特性,用栈这种数据结构来实现。是最合理的选择。
参考资料:
本章内容来源于对王争大佬的《数据结构与算法之美》的专栏。