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  • 栈:如何实现浏览器的前进和后退功能?

    一、什么是栈?

    1.后进者先出,先进者后出,这就是典型的“栈”结构。
    2.从栈的操作特性来看,是一种“操作受限”的线性表,只允许在端插入和删除数据。

    二、为什么需要栈?

    1. 栈是一种操作受限的数据结构,其操作特性用数组和链表均可实现。
    2. 特定数据结构是对特定应用场景的抽象,数组和链表虽然使用起来更加灵活,但却暴露了太多操作接口,更容易出错。
    3. 所以,当某个数据集合只涉及在某端插入和删除数据,且满足后进者先出,先进者后出的操作特性时,我们应该首选栈这种数据结构。

    三、如何实现栈?

    1. 栈的API

      public class Stack<Item> {
      //压栈
      public void push(Item item){}
      //弹栈
      public Item pop(){}
      //是否为空
      public boolean isEmpty(){}
      //栈中数据的数量
      public int size(){}
      //返回栈中最近添加的元素而不删除它
      public Item peek(){}
      }
      
    2. 数组实现(自动扩容)
      时间复杂度分析:根据均摊复杂度的定义,可以得数组实现(自动扩容)符合大多数情况是O(1)级别复杂度,个别情况是O(n)级别复杂度,比如自动扩容时,会进行完整数据的拷贝。
      空间复杂度分析:在入栈和出栈的过程中,只需要一两个临时变量存储空间,所以O(1)级别。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。

      实现代码:(栈的数组实现)

         public class StackOfArray<Item> implements Iterable<Item>{
          //存储数据的数组
          Item[] a = (Item[])new Object[1];
          //记录元素个数N
          int N = 0;
          //构造器
          public StackOfArray(){}
          //添加元素
          public void push(Item item){
              //自动扩容
              if (N == a.length ) resize(2*a.length );
              a[N++] = item;
          }
          //删除元素
          public Item pop(){
              Item item = a[--N];
              a[N] = null;
              if (N > 0 && N == a.length / 4) resize(a.length / 2);
              return item;
          }
          //是否为空
          public boolean isEmpty(){
              return N == 0;
          }
          //元素个数
          public int size(){
              return N;
          }
          //改变数组容量
          private void resize(int length) {
              Item[] temp = (Item[])new Object[length];
              for (int i = 0; i < N; i++) {
                  temp[i] = a[i];
              }
              a = temp;
          }//可直接用 System.arraycopy
          //返回栈中最近添加的元素而不删除它
          public Item peek(){
              return a[N-1];
          }
          @Override
          public Iterator<Item> iterator() {
              return new ArrayIterator();
          }
          //内部类
          class ArrayIterator implements Iterator{
              //控制迭代数量
              int i = N;
              @Override
              public boolean hasNext() {
                  return i > 0;
              }
              @Override
              public Item next() {
                  return a[--i];
              }
          }
      }
      
    3. 链表实现
      时间复杂度分析:压栈和弹栈的时间复杂度均为O(1)级别,因为只需更改单个节点的索引即可。
      空间复杂度分析:在入栈和出栈的过程中,只需要一两个临时变量存储空间,所以O(1)级别。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。
      实现代码:(栈的链表实现)

      public class StackOfLinked<Item> implements Iterable<Item> {
          //定义一个内部类,就可以直接使用类型参数
          private class Node{
              Item item;
              Node next;
          }
          private Node first;
          private int N;
          //构造器
          public StackOfLinked(){}
          //添加
          public void push(Item item){
              Node oldfirst = first;
              first = new Node();
              first.item = item;
              first.next = oldfirst;
              N++;
          }
          //删除
          public Item pop(){
              Item item = first.item;
              first = first.next;
              N--;
              return item;
          }
          //是否为空
          public boolean isEmpty(){
              return N == 0;
          }
          //元素数量
          public int size(){
              return N;
          }
          //返回栈中最近添加的元素而不删除它
          public Item peek(){
              return first.item;
          }
          @Override
          public Iterator<Item> iterator() {
              return new LinkedIterator();
          }
          //内部类: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;
              }
          }
      }
      

    四、栈的应用

    1. 栈在函数调用中的应用
      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,就会将其中的临时变量作为栈帧入栈,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。
    2. 栈在表达式求值中的应用(比如:34+13*9+44-12/3)
      利用两个栈,其中一个用来保存操作数,另一个用来保存运算符。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,若比运算符栈顶元素优先级高,就将当前运算符压入栈,若比运算符栈顶元素的优先级低或者相同,从运算符栈中取出栈顶运算符,从操作数栈顶取出2个操作数,然后进行计算,把计算完的结果压入操作数栈,继续比较。
    3. 栈在括号匹配中的应用(比如:{}{()})
      用栈保存为匹配的左括号,从左到右一次扫描字符串,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,如果能匹配上,则继续扫描剩下的字符串。如果扫描过程中,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,说明未匹配的左括号为非法格式。
    4. 如何实现浏览器的前进后退功能?
      我们使用两个栈X和Y,我们把首次浏览的页面依次压如栈X,当点击后退按钮时,再依次从栈X中出栈,并将出栈的数据一次放入Y栈。当点击前进按钮时,我们依次从栈Y中取出数据,放入栈X中。当栈X中没有数据时,说明没有页面可以继续后退浏览了。当Y栈没有数据,那就说明没有页面可以点击前进浏览了。

    五、课后思考

    1.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,我们不一定非要用栈来保存临时变量,只不过如果这个函数调用符合后进先出的特性,用栈这种数据结构来实现,是最顺理成章的选择。

    从调用函数进入被调用函数,对于数据来说,变化的是什么呢?是作用域。所以根本上,只要能保证每进入一个新的函数,都是一个新的作用域就可以。而要实现这个,用栈就非常方便。在进入被调用函数的时候,分配一段栈空间给这个函数的变量,在函数结束的时候,将栈顶复位,正好回到调用函数的作用域内。

    2.我们都知道,JVM 内存管理中有个“堆栈”的概念。栈内存用来存储局部变量和方法调用,堆内存用来存储 Java 中的对象。那 JVM 里面的“栈”跟我们这里说的“栈”是不是一回事呢?如果不是,那它为什么又叫作“栈”呢?

    内存中的堆栈和数据结构堆栈不是一个概念,可以说内存中的堆栈是真实存在的物理区,数据结构中的堆栈是抽象的数据存储结构。

    内存空间在逻辑上分为三部分:代码区、静态数据区和动态数据区,动态数据区又分为栈区和堆区。

    • 代码区:存储方法体的二进制代码。高级调度(作业调度)、中级调度(内存调度)、低级调度(进程调度)控制代码区执行代码的切换。
    • 静态数据区:存储全局变量、静态变量、常量,常量包括final修饰的常量和String常量。系统自动分配和回收。
    • 栈区: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。
    • 堆区:new一个对象的引用或地址存储在栈区,指向该对象存储在堆区中的真实数据。
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