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hello-algo/docs/chapter_stack_and_queue/stack.md

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# 栈
「栈 Stack」是一种遵循「先入后出 first in, last out」数据操作规则的线性数据结构。我们可以将栈类比为放在桌面上的一摞盘子如果需要拿出底部的盘子则需要先将上面的盘子依次取出。
“盘子”是一种形象比喻,我们将盘子替换为任意一种元素(例如整数、字符、对象等),就得到了栈数据结构。
我们将这一摞元素的顶部称为「栈顶」,将底部称为「栈底」,将把元素添加到栈顶的操作称为「入栈」,将删除栈顶元素的操作称为「出栈」。
![stack_operations](stack.assets/stack_operations.png)
<p align="center"> Fig. 栈的先入后出特性 </p>
## 栈常用操作
栈的常用操作见下表(方法命名以 Java 为例)。
<p align="center"> Table. 栈的常用操作 </p>
<div class="center-table" markdown>
| 方法 | 描述 | 时间复杂度 |
| --------- | ---------------------- | ---------- |
| push() | 元素入栈(添加至栈顶) | $O(1)$ |
| pop() | 栈顶元素出栈 | $O(1)$ |
| peek() | 访问栈顶元素 | $O(1)$ |
| size() | 获取栈的长度 | $O(1)$ |
| isEmpty() | 判断栈是否为空 | $O(1)$ |
</div>
我们可以直接使用编程语言实现好的栈类。
=== "Java"
```java title="stack.java"
/* 初始化栈 */
// 在 Java 中,推荐将 LinkedList 当作栈来使用
LinkedList<Integer> stack = new LinkedList<>();
/* 元素入栈 */
stack.addLast(1);
stack.addLast(3);
stack.addLast(2);
stack.addLast(5);
stack.addLast(4);
/* 访问栈顶元素 */
int peek = stack.peekLast();
/* 元素出栈 */
int pop = stack.removeLast();
/* 获取栈的长度 */
int size = stack.size();
/* 判断是否为空 */
boolean isEmpty = stack.isEmpty();
```
=== "C++"
```cpp title="stack.cpp"
/* 初始化栈 */
stack<int> stack;
/* 元素入栈 */
stack.push(1);
stack.push(3);
stack.push(2);
stack.push(5);
stack.push(4);
/* 访问栈顶元素 */
int top = stack.top();
/* 元素出栈 */
stack.pop();
/* 获取栈的长度 */
int size = stack.size();
/* 判断是否为空 */
bool empty = stack.empty();
```
=== "Python"
```python title="stack.py"
""" 初始化栈 """
# Python 没有内置的栈类,可以把 List 当作栈来使用
stack = []
""" 元素入栈 """
stack.append(1)
stack.append(3)
stack.append(2)
stack.append(5)
stack.append(4)
""" 访问栈顶元素 """
peek = stack[-1]
""" 元素出栈 """
pop = stack.pop()
""" 获取栈的长度 """
size = len(stack)
""" 判断是否为空 """
is_empty = len(stack) == 0
```
=== "Go"
```go title="stack_test.go"
/* 初始化栈 */
// 在 Go 中,推荐将 Slice 当作栈来使用
var stack []int
/* 元素入栈 */
stack = append(stack, 1)
stack = append(stack, 3)
stack = append(stack, 2)
stack = append(stack, 5)
stack = append(stack, 4)
/* 访问栈顶元素 */
peek := stack[len(stack)-1]
/* 元素出栈 */
pop := stack[len(stack)-1]
stack = stack[:len(stack)-1]
/* 获取栈的长度 */
size := len(stack)
/* 判断是否为空 */
isEmpty := len(stack) == 0
```
=== "JavaScript"
```js title="stack.js"
/* 初始化栈 */
// Javascript 没有内置的栈类,可以把 Array 当作栈来使用
const stack = [];
/* 元素入栈 */
stack.push(1);
stack.push(3);
stack.push(2);
stack.push(5);
stack.push(4);
/* 访问栈顶元素 */
const peek = stack[stack.length-1];
/* 元素出栈 */
const pop = stack.pop();
/* 获取栈的长度 */
const size = stack.length;
/* 判断是否为空 */
const is_empty = stack.length === 0;
```
=== "TypeScript"
```typescript title="stack.ts"
/* 初始化栈 */
// Typescript 没有内置的栈类,可以把 Array 当作栈来使用
const stack: number[] = [];
/* 元素入栈 */
stack.push(1);
stack.push(3);
stack.push(2);
stack.push(5);
stack.push(4);
/* 访问栈顶元素 */
const peek = stack[stack.length - 1];
/* 元素出栈 */
const pop = stack.pop();
/* 获取栈的长度 */
const size = stack.length;
/* 判断是否为空 */
const is_empty = stack.length === 0;
```
=== "C"
```c title="stack.c"
```
=== "C#"
```csharp title="stack.cs"
/* 初始化栈 */
Stack<int> stack = new ();
/* 元素入栈 */
stack.Push(1);
stack.Push(3);
stack.Push(2);
stack.Push(5);
stack.Push(4);
/* 访问栈顶元素 */
int peek = stack.Peek();
/* 元素出栈 */
int pop = stack.Pop();
/* 获取栈的长度 */
int size = stack.Count();
/* 判断是否为空 */
bool isEmpty = stack.Count()==0;
```
=== "Swift"
```swift title="stack.swift"
/* 初始化栈 */
// Swift 没有内置的栈类,可以把 Array 当作栈来使用
var stack: [Int] = []
/* 元素入栈 */
stack.append(1)
stack.append(3)
stack.append(2)
stack.append(5)
stack.append(4)
/* 访问栈顶元素 */
let peek = stack.last!
/* 元素出栈 */
let pop = stack.removeLast()
/* 获取栈的长度 */
let size = stack.count
/* 判断是否为空 */
let isEmpty = stack.isEmpty
```
## 栈的实现
为了更加清晰地了解栈的运行机制,接下来我们来自己动手实现一个栈类。
栈规定元素是先入后出的,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组或链表都可以在任意位置添加删除元素,因此 **栈可被看作是一种受约束的数组或链表**。换言之,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使之对外的表现逻辑符合栈的规定即可。
### 基于链表的实现
使用「链表」实现栈时,将链表的头结点看作栈顶,尾结点看作栈底。
对于入栈操作,将元素插入到链表头部即可,这种结点添加方式被称为“头插法”。而对于出栈操作,则将头结点从链表中删除即可。
受益于链表的离散存储方式,栈的扩容更加灵活,删除元素的内存也会被系统自动回收;缺点是无法像数组一样高效地随机访问,并且由于链表结点需存储指针,导致单个元素占用空间更大。
=== "Java"
```java title="linkedlist_stack.java"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
private ListNode stackPeek; // 将头结点作为栈顶
private int stkSize = 0; // 栈的长度
public LinkedListStack() {
stackPeek = null;
}
/* 获取栈的长度 */
public int size() {
return stkSize;
}
/* 判断栈是否为空 */
public boolean isEmpty() {
return size() == 0;
}
/* 入栈 */
public void push(int num) {
ListNode node = new ListNode(num);
node.next = stackPeek;
stackPeek = node;
stkSize++;
}
/* 出栈 */
public int pop() {
int num = peek();
stackPeek = stackPeek.next;
stkSize--;
return num;
}
/* 访问栈顶元素 */
public int peek() {
if (size() == 0)
throw new EmptyStackException();
return stackPeek.val;
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="linkedlist_stack.cpp"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
private:
ListNode* stackTop; // 将头结点作为栈顶
int stkSize; // 栈的长度
public:
LinkedListStack() {
stackTop = nullptr;
stkSize = 0;
}
~LinkedListStack() {
freeMemoryLinkedList(stackTop);
}
/* 获取栈的长度 */
int size() {
return stkSize;
}
/* 判断栈是否为空 */
bool empty() {
return size() == 0;
}
/* 入栈 */
void push(int num) {
ListNode* node = new ListNode(num);
node->next = stackTop;
stackTop = node;
stkSize++;
}
/* 出栈 */
void pop() {
int num = top();
ListNode *tmp = stackTop;
stackTop = stackTop->next;
// 释放内存
delete tmp;
stkSize--;
}
/* 访问栈顶元素 */
int top() {
if (size() == 0)
throw out_of_range("栈为空");
return stackTop->val;
}
};
```
=== "Python"
```python title="linkedlist_stack.py"
""" 基于链表实现的栈 """
class LinkedListStack:
def __init__(self):
self.__peek = None
self.__size = 0
""" 获取栈的长度 """
def size(self):
return self.__size
""" 判断栈是否为空 """
def is_empty(self):
return not self.__peek
""" 入栈 """
def push(self, val):
node = ListNode(val)
node.next = self.__peek
self.__peek = node
self.__size += 1
""" 出栈 """
def pop(self):
num = self.peek()
self.__peek = self.__peek.next
self.__size -= 1
return num
""" 访问栈顶元素 """
def peek(self):
# 判空处理
if not self.__peek: return None
return self.__peek.val
```
=== "Go"
```go title="linkedlist_stack.go"
/* 基于链表实现的栈 */
type linkedListStack struct {
// 使用内置包 list 来实现栈
data *list.List
}
// newLinkedListStack 初始化链表
func newLinkedListStack() *linkedListStack {
return &linkedListStack{
data: list.New(),
}
}
// push 入栈
func (s *linkedListStack) push(value int) {
s.data.PushBack(value)
}
// pop 出栈
func (s *linkedListStack) pop() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Back()
s.data.Remove(e)
return e.Value
}
// peek 访问栈顶元素
func (s *linkedListStack) peek() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Back()
return e.Value
}
// size 获取栈的长度
func (s *linkedListStack) size() int {
return s.data.Len()
}
// isEmpty 判断栈是否为空
func (s *linkedListStack) isEmpty() bool {
return s.data.Len() == 0
}
```
=== "JavaScript"
```js title="linkedlist_stack.js"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
#stackPeek; // 将头结点作为栈顶
#stkSize = 0; // 栈的长度
constructor() {
this.#stackPeek = null;
}
/* 获取栈的长度 */
get size() {
return this.#stkSize;
}
/* 判断栈是否为空 */
isEmpty() {
return this.size == 0;
}
/* 入栈 */
push(num) {
const node = new ListNode(num);
node.next = this.#stackPeek;
this.#stackPeek = node;
this.#stkSize++;
}
/* 出栈 */
pop() {
const num = this.peek();
if (!this.#stackPeek) {
throw new Error("栈为空!");
}
this.#stackPeek = this.#stackPeek.next;
this.#stkSize--;
return num;
}
/* 访问栈顶元素 */
peek() {
if (!this.#stackPeek) {
throw new Error("栈为空!");
}
return this.#stackPeek.val;
}
/* 将链表转化为 Array 并返回 */
toArray() {
let node = this.#stackPeek;
const res = new Array(this.size);
for (let i = res.length - 1; i >= 0; i--) {
res[i] = node.val;
node = node.next;
}
return res;
}
}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="linkedlist_stack.ts"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
private stackPeek: ListNode | null; // 将头结点作为栈顶
private stkSize: number = 0; // 栈的长度
constructor() {
this.stackPeek = null;
}
/* 获取栈的长度 */
get size(): number {
return this.stkSize;
}
/* 判断栈是否为空 */
isEmpty(): boolean {
return this.size == 0;
}
/* 入栈 */
push(num: number): void {
const node = new ListNode(num);
node.next = this.stackPeek;
this.stackPeek = node;
this.stkSize++;
}
/* 出栈 */
pop(): number {
const num = this.peek();
if (!this.stackPeek) {
throw new Error("栈为空!");
}
this.stackPeek = this.stackPeek.next;
this.stkSize--;
return num;
}
/* 访问栈顶元素 */
peek(): number {
if (!this.stackPeek) {
throw new Error("栈为空!");
}
return this.stackPeek.val;
}
/* 将链表转化为 Array 并返回 */
toArray(): number[] {
let node = this.stackPeek;
const res = new Array<number>(this.size);
for (let i = res.length - 1; i >= 0; i--) {
res[i] = node!.val;
node = node!.next;
}
return res;
}
}
```
=== "C"
```c title="linkedlist_stack.c"
```
=== "C#"
```csharp title="linkedlist_stack.cs"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack
{
private ListNode stackPeek; // 将头结点作为栈顶
private int stkSize = 0; // 栈的长度
public LinkedListStack()
{
stackPeek = null;
}
/* 获取栈的长度 */
public int size()
{
return stkSize;
}
/* 判断栈是否为空 */
public bool isEmpty()
{
return size() == 0;
}
/* 入栈 */
public void push(int num)
{
ListNode node = new ListNode(num);
node.next = stackPeek;
stackPeek = node;
stkSize++;
}
/* 出栈 */
public int pop()
{
int num = peek();
stackPeek = stackPeek?.next;
stkSize--;
return num;
}
/* 访问栈顶元素 */
public int peek()
{
if (size() == 0)
throw new Exception();
return stackPeek.val;
}
}
```
=== "Swift"
```swift title="linkedlist_stack.swift"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
private var _peek: ListNode? // 将头结点作为栈顶
private var _size = 0 // 栈的长度
init() {}
/* 获取栈的长度 */
func size() -> Int {
_size
}
/* 判断栈是否为空 */
func isEmpty() -> Bool {
size() == 0
}
/* 入栈 */
func push(num: Int) {
let node = ListNode(x: num)
node.next = _peek
_peek = node
_size += 1
}
/* 出栈 */
@discardableResult
func pop() -> Int {
let num = peek()
_peek = _peek?.next
_size -= 1
return num
}
/* 访问栈顶元素 */
func peek() -> Int {
if isEmpty() {
fatalError("栈为空")
}
return _peek!.val
}
}
```
### 基于数组的实现
使用「数组」实现栈时,将数组的尾部当作栈顶,这样可以保证入栈与出栈操作的时间复杂度都为 $O(1)$ 。准确地说,由于入栈的元素可能是源源不断的,我们需要使用可以动态扩容的「列表」。
基于数组实现的栈,优点是支持随机访问,缺点是会造成一定的空间浪费,因为列表的容量始终 $\geq$ 元素数量。
=== "Java"
```java title="array_stack.java"
/* 基于数组实现的栈 */
class ArrayStack {
private ArrayList<Integer> stack;
public ArrayStack() {
// 初始化列表(动态数组)
stack = new ArrayList<>();
}
/* 获取栈的长度 */
public int size() {
return stack.size();
}
/* 判断栈是否为空 */
public boolean isEmpty() {
return size() == 0;
}
/* 入栈 */
public void push(int num) {
stack.add(num);
}
/* 出栈 */
public int pop() {
if (isEmpty())
throw new EmptyStackException();
return stack.remove(size() - 1);
}
/* 访问栈顶元素 */
public int peek() {
if (isEmpty())
throw new EmptyStackException();
return stack.get(size() - 1);
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="array_stack.cpp"
/* 基于数组实现的栈 */
class ArrayStack {
private:
vector<int> stack;
public:
/* 获取栈的长度 */
int size() {
return stack.size();
}
/* 判断栈是否为空 */
bool empty() {
return stack.empty();
}
/* 入栈 */
void push(int num) {
stack.push_back(num);
}
/* 出栈 */
void pop() {
int oldTop = top();
stack.pop_back();
}
/* 访问栈顶元素 */
int top() {
if(empty())
throw out_of_range("栈为空");
return stack.back();
}
};
```
=== "Python"
```python title="array_stack.py"
""" 基于数组实现的栈 """
class ArrayStack:
def __init__(self):
self.__stack = []
""" 获取栈的长度 """
def size(self):
return len(self.__stack)
""" 判断栈是否为空 """
def is_empty(self):
return self.__stack == []
""" 入栈 """
def push(self, item):
self.__stack.append(item)
""" 出栈 """
def pop(self):
assert not self.is_empty(), "栈为空"
return self.__stack.pop()
""" 访问栈顶元素 """
def peek(self):
assert not self.is_empty(), "栈为空"
return self.__stack[-1]
```
=== "Go"
```go title="array_stack.go"
/* 基于数组实现的栈 */
type arrayStack struct {
data []int // 数据
}
func newArrayStack() *arrayStack {
return &arrayStack{
// 设置栈的长度为 0容量为 16
data: make([]int, 0, 16),
}
}
// size 栈的长度
func (s *arrayStack) size() int {
return len(s.data)
}
// isEmpty 栈是否为空
func (s *arrayStack) isEmpty() bool {
return s.size() == 0
}
// push 入栈
func (s *arrayStack) push(v int) {
// 切片会自动扩容
s.data = append(s.data, v)
}
// pop 出栈
func (s *arrayStack) pop() any {
// 弹出栈前,先判断是否为空
if s.isEmpty() {
return nil
}
val := s.peek()
s.data = s.data[:len(s.data)-1]
return val
}
// peek 获取栈顶元素
func (s *arrayStack) peek() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
val := s.data[len(s.data)-1]
return val
}
```
=== "JavaScript"
```js title="array_stack.js"
/* 基于数组实现的栈 */
class ArrayStack {
stack;
constructor() {
this.stack = [];
}
/* 获取栈的长度 */
get size() {
return this.stack.length;
}
/* 判断栈是否为空 */
empty() {
return this.stack.length === 0;
}
/* 入栈 */
push(num) {
this.stack.push(num);
}
/* 出栈 */
pop() {
if (this.empty())
throw new Error("栈为空");
return this.stack.pop();
}
/* 访问栈顶元素 */
top() {
if (this.empty())
throw new Error("栈为空");
return this.stack[this.stack.length - 1];
}
};
```
=== "TypeScript"
```typescript title="array_stack.ts"
/* 基于数组实现的栈 */
class ArrayStack {
private stack: number[];
constructor() {
this.stack = [];
}
/* 获取栈的长度 */
get size(): number {
return this.stack.length;
}
/* 判断栈是否为空 */
empty(): boolean {
return this.stack.length === 0;
}
/* 入栈 */
push(num: number): void {
this.stack.push(num);
}
/* 出栈 */
pop(): number | undefined {
if (this.empty())
throw new Error('栈为空');
return this.stack.pop();
}
/* 访问栈顶元素 */
top(): number | undefined {
if (this.empty())
throw new Error('栈为空');
return this.stack[this.stack.length - 1];
}
};
```
=== "C"
```c title="array_stack.c"
```
=== "C#"
```csharp title="array_stack.cs"
/* 基于数组实现的栈 */
class ArrayStack
{
private List<int> stack;
public ArrayStack()
{
// 初始化列表(动态数组)
stack = new();
}
/* 获取栈的长度 */
public int size()
{
return stack.Count();
}
/* 判断栈是否为空 */
public bool isEmpty()
{
return size() == 0;
}
/* 入栈 */
public void push(int num)
{
stack.Add(num);
}
/* 出栈 */
public int pop()
{
if (isEmpty())
throw new Exception();
var val = peek();
stack.RemoveAt(size() - 1);
return val;
}
/* 访问栈顶元素 */
public int peek()
{
if (isEmpty())
throw new Exception();
return stack[size() - 1];
}
}
```
=== "Swift"
```swift title="array_stack.swift"
/* 基于数组实现的栈 */
class ArrayStack {
private var stack: [Int]
init() {
// 初始化列表(动态数组)
stack = []
}
/* 获取栈的长度 */
func size() -> Int {
stack.count
}
/* 判断栈是否为空 */
func isEmpty() -> Bool {
stack.isEmpty
}
/* 入栈 */
func push(num: Int) {
stack.append(num)
}
/* 出栈 */
@discardableResult
func pop() -> Int {
if isEmpty() {
fatalError("栈为空")
}
return stack.removeLast()
}
/* 访问栈顶元素 */
func peek() -> Int {
if isEmpty() {
fatalError("栈为空")
}
return stack.last!
}
}
```
!!! tip
某些语言并未专门提供栈类,但我们可以直接把该语言的「数组」或「链表」看作栈来使用,并通过“脑补”来屏蔽无关操作,而无需像上述代码去特意包装一层。
## 栈典型应用
- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就将上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过「后退」操作来回到上一页面,后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么则需要两个栈来配合实现。
- **程序内存管理**。每当调用函数时,系统就会在栈顶添加一个栈帧,用来记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推会不断执行入栈,向上回溯阶段时出栈。