xmengnet/hello-algo
1
0
Fork 0
mirror of https://github.com/krahets/hello-algo.git synced 2024-12-27 20:56:29 +08:00
Code Issues Projects Releases Packages Wiki Activity Actions
hello-algo/docs/chapter_stack_and_queue/stack.md
krahets 7bbed7f9b8 build
2024-02-10 03:56:57 +08:00

1731 lines
62 KiB
Markdown
Executable file
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

---
comments: true
---
# 5.1   栈
「栈 stack」是一种遵循先入后出逻辑的线性数据结构。
我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子，如果想取出底部的盘子，则需要先将上面的盘子依次移走。我们将盘子替换为各种类型的元素（如整数、字符、对象等），就得到了栈这种数据结构。
如图 5-1 所示，我们把堆叠元素的顶部称为“栈顶”，底部称为“栈底”。将把元素添加到栈顶的操作叫作“入栈”，删除栈顶元素的操作叫作“出栈”。
![栈的先入后出规则](stack.assets/stack_operations.png){ class="animation-figure" }
<p align="center"> 图 5-1 &nbsp; 栈的先入后出规则 </p>
## 5.1.1 &nbsp; 栈的常用操作
栈的常用操作如表 5-1 所示，具体的方法名需要根据所使用的编程语言来确定。在此，我们以常见的 `push()`、`pop()`、`peek()` 命名为例。
<p align="center"> 表 5-1 &nbsp; 栈的操作效率 </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 | $O(1)$ |
</div>
通常情况下，我们可以直接使用编程语言内置的栈类。然而，某些语言可能没有专门提供栈类，这时我们可以将该语言的“数组”或“链表”当作栈来使用，并在程序逻辑上忽略与栈无关的操作。
=== "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: list[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
peek: int = stack[-1]
# 元素出栈
pop: int = stack.pop()
# 获取栈的长度
size: int = len(stack)
# 判断是否为空
is_empty: bool = len(stack) == 0
```
=== "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(); // 无返回值
/* 获取栈的长度 */
int size = stack.size();
/* 判断是否为空 */
bool empty = stack.empty();
```
=== "Java"
```java title="stack.java"
/* 初始化栈 */
Stack<Integer> stack = new 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 peek = stack.peek();
/* 元素出栈 */
int pop = stack.pop();
/* 获取栈的长度 */
int size = stack.size();
/* 判断是否为空 */
boolean isEmpty = stack.isEmpty();
```
=== "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;
```
=== "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
```
=== "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
```
=== "JS"
```javascript 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;
```
=== "TS"
```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;
```
=== "Dart"
```dart title="stack.dart"
/* 初始化栈 */
// Dart 没有内置的栈类，可以把 List 当作栈来使用
List<int> stack = [];
/* 元素入栈 */
stack.add(1);
stack.add(3);
stack.add(2);
stack.add(5);
stack.add(4);
/* 访问栈顶元素 */
int peek = stack.last;
/* 元素出栈 */
int pop = stack.removeLast();
/* 获取栈的长度 */
int size = stack.length;
/* 判断是否为空 */
bool isEmpty = stack.isEmpty;
```
=== "Rust"
```rust title="stack.rs"
/* 初始化栈 */
// 把 Vec 当作栈来使用
let mut stack: Vec<i32> = Vec::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 */
let top = stack.last().unwrap();
/* 元素出栈 */
let pop = stack.pop().unwrap();
/* 获取栈的长度 */
let size = stack.len();
/* 判断是否为空 */
let is_empty = stack.is_empty();
```
=== "C"
```c title="stack.c"
// C 未提供内置栈
```
=== "Zig"
```zig title="stack.zig"
```
??? pythontutor "可视化运行"
<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E6%A0%88%0A%20%20%20%20%23%20Python%20%E6%B2%A1%E6%9C%89%E5%86%85%E7%BD%AE%E7%9A%84%E6%A0%88%E7%B1%BB%EF%BC%8C%E5%8F%AF%E4%BB%A5%E6%8A%8A%20list%20%E5%BD%93%E4%BD%9C%E6%A0%88%E6%9D%A5%E4%BD%BF%E7%94%A8%0A%20%20%20%20stack%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack.append%281%29%0A%20%20%20%20stack.append%283%29%0A%20%20%20%20stack.append%282%29%0A%20%20%20%20stack.append%285%29%0A%20%20%20%20stack.append%284%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%20stack%20%3D%22,%20stack%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20stack%5B-1%5D%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%20peek%20%3D%22,%20peek%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E6%A0%88%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20stack.pop%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%85%83%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22,%20pop%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%90%8E%20stack%20%3D%22,%20stack%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20len%28stack%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20len%28stack%29%20%3D%3D%200%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=2&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E6%A0%88%0A%20%20%20%20%23%20Python%20%E6%B2%A1%E6%9C%89%E5%86%85%E7%BD%AE%E7%9A%84%E6%A0%88%E7%B1%BB%EF%BC%8C%E5%8F%AF%E4%BB%A5%E6%8A%8A%20list%20%E5%BD%93%E4%BD%9C%E6%A0%88%E6%9D%A5%E4%BD%BF%E7%94%A8%0A%20%20%20%20stack%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack.append%281%29%0A%20%20%20%20stack.append%283%29%0A%20%20%20%20stack.append%282%29%0A%20%20%20%20stack.append%285%29%0A%20%20%20%20stack.append%284%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%20stack%20%3D%22,%20stack%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20stack%5B-1%5D%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%20peek%20%3D%22,%20peek%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E6%A0%88%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20stack.pop%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%85%83%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22,%20pop%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%90%8E%20stack%20%3D%22,%20stack%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20len%28stack%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20len%28stack%29%20%3D%3D%200%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=2&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全屏观看 ></a></div>
## 5.1.2 &nbsp; 栈的实现
为了深入了解栈的运行机制，我们来尝试自己实现一个栈类。
栈遵循先入后出的原则，因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而，数组和链表都可以在任意位置添加和删除元素，**因此栈可以视为一种受限制的数组或链表**。换句话说，我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作，使其对外表现的逻辑符合栈的特性。
### 1. &nbsp; 基于链表的实现
使用链表实现栈时，我们可以将链表的头节点视为栈顶，尾节点视为栈底。
如图 5-2 所示，对于入栈操作，我们只需将元素插入链表头部，这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于出栈操作，只需将头节点从链表中删除即可。
=== "LinkedListStack"
![基于链表实现栈的入栈出栈操作](stack.assets/linkedlist_stack_step1.png){ class="animation-figure" }
=== "push()"
![linkedlist_stack_push](stack.assets/linkedlist_stack_step2_push.png){ class="animation-figure" }
=== "pop()"
![linkedlist_stack_pop](stack.assets/linkedlist_stack_step3_pop.png){ class="animation-figure" }
<p align="center"> 图 5-2 &nbsp; 基于链表实现栈的入栈出栈操作 </p>
以下是基于链表实现栈的示例代码：
=== "Python"
```python title="linkedlist_stack.py"
class LinkedListStack:
"""基于链表实现的栈"""
def __init__(self):
"""构造方法"""
self._peek: ListNode | None = None
self._size: int = 0
def size(self) -> int:
"""获取栈的长度"""
return self._size
def is_empty(self) -> bool:
"""判断栈是否为空"""
return not self._peek
def push(self, val: int):
"""入栈"""
node = ListNode(val)
node.next = self._peek
self._peek = node
self._size += 1
def pop(self) -> int:
"""出栈"""
num = self.peek()
self._peek = self._peek.next
self._size -= 1
return num
def peek(self) -> int:
"""访问栈顶元素"""
if self.is_empty():
raise IndexError("栈为空")
return self._peek.val
def to_list(self) -> list[int]:
"""转化为列表用于打印"""
arr = []
node = self._peek
while node:
arr.append(node.val)
node = node.next
arr.reverse()
return arr
```
=== "C++"
```cpp title="linkedlist_stack.cpp"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
private:
ListNode *stackTop; // 将头节点作为栈顶
int stkSize; // 栈的长度
public:
LinkedListStack() {
stackTop = nullptr;
stkSize = 0;
}
~LinkedListStack() {
// 遍历链表删除节点，释放内存
freeMemoryLinkedList(stackTop);
}
/* 获取栈的长度 */
int size() {
return stkSize;
}
/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty() {
return size() == 0;
}
/* 入栈 */
void push(int num) {
ListNode *node = new ListNode(num);
node->next = stackTop;
stackTop = node;
stkSize++;
}
/* 出栈 */
int pop() {
int num = top();
ListNode *tmp = stackTop;
stackTop = stackTop->next;
// 释放内存
delete tmp;
stkSize--;
return num;
}
/* 访问栈顶元素 */
int top() {
if (isEmpty())
throw out_of_range("栈为空");
return stackTop->val;
}
/* 将 List 转化为 Array 并返回 */
vector<int> toVector() {
ListNode *node = stackTop;
vector<int> res(size());
for (int i = res.size() - 1; i >= 0; i--) {
res[i] = node->val;
node = node->next;
}
return res;
}
};
```
=== "Java"
```java title="linkedlist_stack.java"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
private ListNode stackPeek; // 将头节点作为栈顶
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 (isEmpty())
throw new IndexOutOfBoundsException();
return stackPeek.val;
}
/* 将 List 转化为 Array 并返回 */
public int[] toArray() {
ListNode node = stackPeek;
int[] res = new int[size()];
for (int i = res.length - 1; i >= 0; i--) {
res[i] = node.val;
node = node.next;
}
return res;
}
}
```
=== "C#"
```csharp title="linkedlist_stack.cs"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
ListNode? stackPeek; // 将头节点作为栈顶
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(num) {
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 (IsEmpty())
throw new Exception();
return stackPeek!.val;
}
/* 将 List 转化为 Array 并返回 */
public int[] ToArray() {
if (stackPeek == null)
return [];
ListNode? node = stackPeek;
int[] res = new int[Size()];
for (int i = res.Length - 1; i >= 0; i--) {
res[i] = node!.val;
node = node.next;
}
return res;
}
}
```
=== "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
}
/* 初始化栈 */
func newLinkedListStack() *linkedListStack {
return &linkedListStack{
data: list.New(),
}
}
/* 入栈 */
func (s *linkedListStack) push(value int) {
s.data.PushBack(value)
}
/* 出栈 */
func (s *linkedListStack) pop() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Back()
s.data.Remove(e)
return e.Value
}
/* 访问栈顶元素 */
func (s *linkedListStack) peek() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Back()
return e.Value
}
/* 获取栈的长度 */
func (s *linkedListStack) size() int {
return s.data.Len()
}
/* 判断栈是否为空 */
func (s *linkedListStack) isEmpty() bool {
return s.data.Len() == 0
}
/* 获取 List 用于打印 */
func (s *linkedListStack) toList() *list.List {
return s.data
}
```
=== "Swift"
```swift title="linkedlist_stack.swift"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
private var _peek: ListNode? // 将头节点作为栈顶
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
}
/* 将 List 转化为 Array 并返回 */
func toArray() -> [Int] {
var node = _peek
var res = Array(repeating: 0, count: _size)
for i in sequence(first: res.count - 1, next: { $0 >= 0 + 1 ? $0 - 1 : nil }) {
res[i] = node!.val
node = node?.next
}
return res
}
}
```
=== "JS"
```javascript title="linkedlist_stack.js"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
#stackPeek; // 将头节点作为栈顶
#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();
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;
}
}
```
=== "TS"
```typescript title="linkedlist_stack.ts"
/* 基于链表实现的栈 */
class LinkedListStack {
private stackPeek: ListNode | null; // 将头节点作为栈顶
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;
}
}
```
=== "Dart"
```dart title="linkedlist_stack.dart"
/* 基于链表类实现的栈 */
class LinkedListStack {
ListNode? _stackPeek; // 将头节点作为栈顶
int _stkSize = 0; // 栈的长度
LinkedListStack() {
_stackPeek = null;
}
/* 获取栈的长度 */
int size() {
return _stkSize;
}
/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty() {
return _stkSize == 0;
}
/* 入栈 */
void push(int _num) {
final ListNode node = ListNode(_num);
node.next = _stackPeek;
_stackPeek = node;
_stkSize++;
}
/* 出栈 */
int pop() {
final int _num = peek();
_stackPeek = _stackPeek!.next;
_stkSize--;
return _num;
}
/* 访问栈顶元素 */
int peek() {
if (_stackPeek == null) {
throw Exception("栈为空");
}
return _stackPeek!.val;
}
/* 将链表转化为 List 并返回 */
List<int> toList() {
ListNode? node = _stackPeek;
List<int> list = [];
while (node != null) {
list.add(node.val);
node = node.next;
}
list = list.reversed.toList();
return list;
}
}
```
=== "Rust"
```rust title="linkedlist_stack.rs"
/* 基于链表实现的栈 */
#[allow(dead_code)]
pub struct LinkedListStack<T> {
stack_peek: Option<Rc<RefCell<ListNode<T>>>>, // 将头节点作为栈顶
stk_size: usize, // 栈的长度
}
impl<T: Copy> LinkedListStack<T> {
pub fn new() -> Self {
Self {
stack_peek: None,
stk_size: 0,
}
}
/* 获取栈的长度 */
pub fn size(&self) -> usize {
return self.stk_size;
}
/* 判断栈是否为空 */
pub fn is_empty(&self) -> bool {
return self.size() == 0;
}
/* 入栈 */
pub fn push(&mut self, num: T) {
let node = ListNode::new(num);
node.borrow_mut().next = self.stack_peek.take();
self.stack_peek = Some(node);
self.stk_size += 1;
}
/* 出栈 */
pub fn pop(&mut self) -> Option<T> {
self.stack_peek.take().map(|old_head| {
match old_head.borrow_mut().next.take() {
Some(new_head) => {
self.stack_peek = Some(new_head);
}
None => {
self.stack_peek = None;
}
}
self.stk_size -= 1;
Rc::try_unwrap(old_head).ok().unwrap().into_inner().val
})
}
/* 访问栈顶元素 */
pub fn peek(&self) -> Option<&Rc<RefCell<ListNode<T>>>> {
self.stack_peek.as_ref()
}
/* 将 List 转化为 Array 并返回 */
pub fn to_array(&self, head: Option<&Rc<RefCell<ListNode<T>>>>) -> Vec<T> {
if let Some(node) = head {
let mut nums = self.to_array(node.borrow().next.as_ref());
nums.push(node.borrow().val);
return nums;
}
return Vec::new();
}
}
```
=== "C"
```c title="linkedlist_stack.c"
/* 基于链表实现的栈 */
typedef struct {
ListNode *top; // 将头节点作为栈顶
int size; // 栈的长度
} LinkedListStack;
/* 构造函数 */
LinkedListStack *newLinkedListStack() {
LinkedListStack *s = malloc(sizeof(LinkedListStack));
s->top = NULL;
s->size = 0;
return s;
}
/* 析构函数 */
void delLinkedListStack(LinkedListStack *s) {
while (s->top) {
ListNode *n = s->top->next;
free(s->top);
s->top = n;
}
free(s);
}
/* 获取栈的长度 */
int size(LinkedListStack *s) {
return s->size;
}
/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty(LinkedListStack *s) {
return size(s) == 0;
}
/* 入栈 */
void push(LinkedListStack *s, int num) {
ListNode *node = (ListNode *)malloc(sizeof(ListNode));
node->next = s->top; // 更新新加节点指针域
node->val = num; // 更新新加节点数据域
s->top = node; // 更新栈顶
s->size++; // 更新栈大小
}
/* 访问栈顶元素 */
int peek(LinkedListStack *s) {
if (s->size == 0) {
printf("栈为空\n");
return INT_MAX;
}
return s->top->val;
}
/* 出栈 */
int pop(LinkedListStack *s) {
int val = peek(s);
ListNode *tmp = s->top;
s->top = s->top->next;
// 释放内存
free(tmp);
s->size--;
return val;
}
```
=== "Zig"
```zig title="linkedlist_stack.zig"
// 基于链表实现的栈
fn LinkedListStack(comptime T: type) type {
return struct {
const Self = @This();
stack_top: ?*inc.ListNode(T) = null, // 将头节点作为栈顶
stk_size: usize = 0, // 栈的长度
mem_arena: ?std.heap.ArenaAllocator = null,
mem_allocator: std.mem.Allocator = undefined, // 内存分配器
// 构造函数（分配内存+初始化栈）
pub fn init(self: *Self, allocator: std.mem.Allocator) !void {
if (self.mem_arena == null) {
self.mem_arena = std.heap.ArenaAllocator.init(allocator);
self.mem_allocator = self.mem_arena.?.allocator();
}
self.stack_top = null;
self.stk_size = 0;
}
// 析构函数（释放内存）
pub fn deinit(self: *Self) void {
if (self.mem_arena == null) return;
self.mem_arena.?.deinit();
}
// 获取栈的长度
pub fn size(self: *Self) usize {
return self.stk_size;
}
// 判断栈是否为空
pub fn isEmpty(self: *Self) bool {
return self.size() == 0;
}
// 访问栈顶元素
pub fn peek(self: *Self) T {
if (self.size() == 0) @panic("栈为空");
return self.stack_top.?.val;
}
// 入栈
pub fn push(self: *Self, num: T) !void {
var node = try self.mem_allocator.create(inc.ListNode(T));
node.init(num);
node.next = self.stack_top;
self.stack_top = node;
self.stk_size += 1;
}
// 出栈
pub fn pop(self: *Self) T {
var num = self.peek();
self.stack_top = self.stack_top.?.next;
self.stk_size -= 1;
return num;
}
// 将栈转换为数组
pub fn toArray(self: *Self) ![]T {
var node = self.stack_top;
var res = try self.mem_allocator.alloc(T, self.size());
@memset(res, @as(T, 0));
var i: usize = 0;
while (i < res.len) : (i += 1) {
res[res.len - i - 1] = node.?.val;
node = node.?.next;
}
return res;
}
};
}
```
??? pythontutor "可视化运行"
<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20ListNode%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E9%93%BE%E8%A1%A8%E8%8A%82%E7%82%B9%E7%B1%BB%22%22%22%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self,%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.val%3A%20int%20%3D%20val%20%20%23%20%E8%8A%82%E7%82%B9%E5%80%BC%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.next%3A%20ListNode%20%7C%20None%20%3D%20None%20%20%23%20%E5%90%8E%E7%BB%A7%E8%8A%82%E7%82%B9%E5%BC%95%E7%94%A8%0A%0A%0Aclass%20LinkedListStack%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%9F%BA%E4%BA%8E%E9%93%BE%E8%A1%A8%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E7%9A%84%E6%A0%88%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%9E%84%E9%80%A0%E6%96%B9%E6%B3%95%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._peek%3A%20ListNode%20%7C%20None%20%3D%20None%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._size%3A%20int%20%3D%200%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._size%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20not%20self._peek%0A%0A%20%20%20%20def%20push%28self,%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%85%A5%E6%A0%88%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20node%20%3D%20ListNode%28val%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20node.next%20%3D%20self._peek%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._peek%20%3D%20node%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._size%20%2B%3D%201%0A%0A%20%20%20%20def%20pop%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%87%BA%E6%A0%88%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20num%20%3D%20self.peek%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._peek%20%3D%20self._peek.next%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._size%20-%3D%201%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20num%0A%0A%20%20%20%20def%20peek%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20self.is_empty%28%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20IndexError%28%22%E6%A0%88%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._peek.val%0A%0A%20%20%20%20def%20to_list%28self%29%20-%3E%20list%5Bint%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%BD%AC%E5%8C%96%E4%B8%BA%E5%88%97%E8%A1%A8%E7%94%A8%E4%BA%8E%E6%89%93%E5%8D%B0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20arr%20%3D%20%5B%5D%0A%20%20%20%20%20%20%20%20node%20%3D%20self._peek%0A%20%20%20%20%20%20%20%20while%20node%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20arr.append%28node.val%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20node%20%3D%20node.next%0A%20%20%20%20%20%20%20%20arr.reverse%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20arr%0A%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack%20%3D%20LinkedListStack%28%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack.push%281%29%0A%20%20%20%20stack.push%283%29%0A%20%20%20%20stack.push%282%29%0A%20%20%20%20stack.push%285%29%0A%20%20%20%20stack.push%284%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%20stack%20%3D%22,%20stack.to_list%28%29%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20stack.peek%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%20peek%20%3D%22,%20peek%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E6%A0%88%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20stack.pop%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%85%83%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22,%20pop%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%90%8E%20stack%20%3D%22,%20stack.to_list%28%29%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20stack.size%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20stack.is_empty%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=4&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20ListNode%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E9%93%BE%E8%A1%A8%E8%8A%82%E7%82%B9%E7%B1%BB%22%22%22%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self,%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.val%3A%20int%20%3D%20val%20%20%23%20%E8%8A%82%E7%82%B9%E5%80%BC%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.next%3A%20ListNode%20%7C%20None%20%3D%20None%20%20%23%20%E5%90%8E%E7%BB%A7%E8%8A%82%E7%82%B9%E5%BC%95%E7%94%A8%0A%0A%0Aclass%20LinkedListStack%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%9F%BA%E4%BA%8E%E9%93%BE%E8%A1%A8%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E7%9A%84%E6%A0%88%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%9E%84%E9%80%A0%E6%96%B9%E6%B3%95%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._peek%3A%20ListNode%20%7C%20None%20%3D%20None%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._size%3A%20int%20%3D%200%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._size%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20not%20self._peek%0A%0A%20%20%20%20def%20push%28self,%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%85%A5%E6%A0%88%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20node%20%3D%20ListNode%28val%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20node.next%20%3D%20self._peek%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._peek%20%3D%20node%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._size%20%2B%3D%201%0A%0A%20%20%20%20def%20pop%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%87%BA%E6%A0%88%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20num%20%3D%20self.peek%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._peek%20%3D%20self._peek.next%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._size%20-%3D%201%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20num%0A%0A%20%20%20%20def%20peek%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20self.is_empty%28%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20IndexError%28%22%E6%A0%88%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._peek.val%0A%0A%20%20%20%20def%20to_list%28self%29%20-%3E%20list%5Bint%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%BD%AC%E5%8C%96%E4%B8%BA%E5%88%97%E8%A1%A8%E7%94%A8%E4%BA%8E%E6%89%93%E5%8D%B0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20arr%20%3D%20%5B%5D%0A%20%20%20%20%20%20%20%20node%20%3D%20self._peek%0A%20%20%20%20%20%20%20%20while%20node%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20arr.append%28node.val%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20node%20%3D%20node.next%0A%20%20%20%20%20%20%20%20arr.reverse%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20arr%0A%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack%20%3D%20LinkedListStack%28%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack.push%281%29%0A%20%20%20%20stack.push%283%29%0A%20%20%20%20stack.push%282%29%0A%20%20%20%20stack.push%285%29%0A%20%20%20%20stack.push%284%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%20stack%20%3D%22,%20stack.to_list%28%29%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20stack.peek%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%20peek%20%3D%22,%20peek%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E6%A0%88%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20stack.pop%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%85%83%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22,%20pop%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%90%8E%20stack%20%3D%22,%20stack.to_list%28%29%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20stack.size%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20stack.is_empty%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=4&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全屏观看 ></a></div>
### 2. &nbsp; 基于数组的实现
使用数组实现栈时，我们可以将数组的尾部作为栈顶。如图 5-3 所示，入栈与出栈操作分别对应在数组尾部添加元素与删除元素，时间复杂度都为 $O(1)$ 。
=== "ArrayStack"
![基于数组实现栈的入栈出栈操作](stack.assets/array_stack_step1.png){ class="animation-figure" }
=== "push()"
![array_stack_push](stack.assets/array_stack_step2_push.png){ class="animation-figure" }
=== "pop()"
![array_stack_pop](stack.assets/array_stack_step3_pop.png){ class="animation-figure" }
<p align="center"> 图 5-3 &nbsp; 基于数组实现栈的入栈出栈操作 </p>
由于入栈的元素可能会源源不断地增加，因此我们可以使用动态数组，这样就无须自行处理数组扩容问题。以下为示例代码：
=== "Python"
```python title="array_stack.py"
class ArrayStack:
"""基于数组实现的栈"""
def __init__(self):
"""构造方法"""
self._stack: list[int] = []
def size(self) -> int:
"""获取栈的长度"""
return len(self._stack)
def is_empty(self) -> bool:
"""判断栈是否为空"""
return self._stack == []
def push(self, item: int):
"""入栈"""
self._stack.append(item)
def pop(self) -> int:
"""出栈"""
if self.is_empty():
raise IndexError("栈为空")
return self._stack.pop()
def peek(self) -> int:
"""访问栈顶元素"""
if self.is_empty():
raise IndexError("栈为空")
return self._stack[-1]
def to_list(self) -> list[int]:
"""返回列表用于打印"""
return self._stack
```
=== "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 isEmpty() {
return stack.size() == 0;
}
/* 入栈 */
void push(int num) {
stack.push_back(num);
}
/* 出栈 */
int pop() {
int num = top();
stack.pop_back();
return num;
}
/* 访问栈顶元素 */
int top() {
if (isEmpty())
throw out_of_range("栈为空");
return stack.back();
}
/* 返回 Vector */
vector<int> toVector() {
return stack;
}
};
```
=== "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 IndexOutOfBoundsException();
return stack.remove(size() - 1);
}
/* 访问栈顶元素 */
public int peek() {
if (isEmpty())
throw new IndexOutOfBoundsException();
return stack.get(size() - 1);
}
/* 将 List 转化为 Array 并返回 */
public Object[] toArray() {
return stack.toArray();
}
}
```
=== "C#"
```csharp title="array_stack.cs"
/* 基于数组实现的栈 */
class ArrayStack {
List<int> stack;
public ArrayStack() {
// 初始化列表（动态数组）
stack = [];
}
/* 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];
}
/* 将 List 转化为 Array 并返回 */
public int[] ToArray() {
return [.. stack];
}
}
```
=== "Go"
```go title="array_stack.go"
/* 基于数组实现的栈 */
type arrayStack struct {
data []int // 数据
}
/* 初始化栈 */
func newArrayStack() *arrayStack {
return &arrayStack{
// 设置栈的长度为 0，容量为 16
data: make([]int, 0, 16),
}
}
/* 栈的长度 */
func (s *arrayStack) size() int {
return len(s.data)
}
/* 栈是否为空 */
func (s *arrayStack) isEmpty() bool {
return s.size() == 0
}
/* 入栈 */
func (s *arrayStack) push(v int) {
// 切片会自动扩容
s.data = append(s.data, v)
}
/* 出栈 */
func (s *arrayStack) pop() any {
val := s.peek()
s.data = s.data[:len(s.data)-1]
return val
}
/* 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
}
/* 获取 Slice 用于打印 */
func (s *arrayStack) toSlice() []int {
return s.data
}
```
=== "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!
}
/* 将 List 转化为 Array 并返回 */
func toArray() -> [Int] {
stack
}
}
```
=== "JS"
```javascript 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 */
isEmpty() {
return this.#stack.length === 0;
}
/* 入栈 */
push(num) {
this.#stack.push(num);
}
/* 出栈 */
pop() {
if (this.isEmpty()) throw new Error('栈为空');
return this.#stack.pop();
}
/* 访问栈顶元素 */
top() {
if (this.isEmpty()) throw new Error('栈为空');
return this.#stack[this.#stack.length - 1];
}
/* 返回 Array */
toArray() {
return this.#stack;
}
}
```
=== "TS"
```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 */
isEmpty(): boolean {
return this.stack.length === 0;
}
/* 入栈 */
push(num: number): void {
this.stack.push(num);
}
/* 出栈 */
pop(): number | undefined {
if (this.isEmpty()) throw new Error('栈为空');
return this.stack.pop();
}
/* 访问栈顶元素 */
top(): number | undefined {
if (this.isEmpty()) throw new Error('栈为空');
return this.stack[this.stack.length - 1];
}
/* 返回 Array */
toArray() {
return this.stack;
}
}
```
=== "Dart"
```dart title="array_stack.dart"
/* 基于数组实现的栈 */
class ArrayStack {
late List<int> _stack;
ArrayStack() {
_stack = [];
}
/* 获取栈的长度 */
int size() {
return _stack.length;
}
/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty() {
return _stack.isEmpty;
}
/* 入栈 */
void push(int _num) {
_stack.add(_num);
}
/* 出栈 */
int pop() {
if (isEmpty()) {
throw Exception("栈为空");
}
return _stack.removeLast();
}
/* 访问栈顶元素 */
int peek() {
if (isEmpty()) {
throw Exception("栈为空");
}
return _stack.last;
}
/* 将栈转化为 Array 并返回 */
List<int> toArray() => _stack;
}
```
=== "Rust"
```rust title="array_stack.rs"
/* 基于数组实现的栈 */
struct ArrayStack<T> {
stack: Vec<T>,
}
impl<T> ArrayStack<T> {
/* 初始化栈 */
fn new() -> ArrayStack<T> {
ArrayStack::<T> { stack: Vec::<T>::new() }
}
/* 获取栈的长度 */
fn size(&self) -> usize {
self.stack.len()
}
/* 判断栈是否为空 */
fn is_empty(&self) -> bool {
self.size() == 0
}
/* 入栈 */
fn push(&mut self, num: T) {
self.stack.push(num);
}
/* 出栈 */
fn pop(&mut self) -> Option<T> {
match self.stack.pop() {
Some(num) => Some(num),
None => None,
}
}
/* 访问栈顶元素 */
fn peek(&self) -> Option<&T> {
if self.is_empty() { panic!("栈为空") };
self.stack.last()
}
/* 返回 &Vec */
fn to_array(&self) -> &Vec<T> {
&self.stack
}
}
```
=== "C"
```c title="array_stack.c"
/* 基于数组实现的栈 */
typedef struct {
int *data;
int size;
} ArrayStack;
/* 构造函数 */
ArrayStack *newArrayStack() {
ArrayStack *stack = malloc(sizeof(ArrayStack));
// 初始化一个大容量，避免扩容
stack->data = malloc(sizeof(int) * MAX_SIZE);
stack->size = 0;
return stack;
}
/* 析构函数 */
void delArrayStack(ArrayStack *stack) {
free(stack->data);
free(stack);
}
/* 获取栈的长度 */
int size(ArrayStack *stack) {
return stack->size;
}
/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty(ArrayStack *stack) {
return stack->size == 0;
}
/* 入栈 */
void push(ArrayStack *stack, int num) {
if (stack->size == MAX_SIZE) {
printf("栈已满\n");
return;
}
stack->data[stack->size] = num;
stack->size++;
}
/* 访问栈顶元素 */
int peek(ArrayStack *stack) {
if (stack->size == 0) {
printf("栈为空\n");
return INT_MAX;
}
return stack->data[stack->size - 1];
}
/* 出栈 */
int pop(ArrayStack *stack) {
int val = peek(stack);
stack->size--;
return val;
}
```
=== "Zig"
```zig title="array_stack.zig"
// 基于数组实现的栈
fn ArrayStack(comptime T: type) type {
return struct {
const Self = @This();
stack: ?std.ArrayList(T) = null,
// 构造方法（分配内存+初始化栈）
pub fn init(self: *Self, allocator: std.mem.Allocator) void {
if (self.stack == null) {
self.stack = std.ArrayList(T).init(allocator);
}
}
// 析构方法（释放内存）
pub fn deinit(self: *Self) void {
if (self.stack == null) return;
self.stack.?.deinit();
}
// 获取栈的长度
pub fn size(self: *Self) usize {
return self.stack.?.items.len;
}
// 判断栈是否为空
pub fn isEmpty(self: *Self) bool {
return self.size() == 0;
}
// 访问栈顶元素
pub fn peek(self: *Self) T {
if (self.isEmpty()) @panic("栈为空");
return self.stack.?.items[self.size() - 1];
}
// 入栈
pub fn push(self: *Self, num: T) !void {
try self.stack.?.append(num);
}
// 出栈
pub fn pop(self: *Self) T {
var num = self.stack.?.pop();
return num;
}
// 返回 ArrayList
pub fn toList(self: *Self) std.ArrayList(T) {
return self.stack.?;
}
};
}
```
??? pythontutor "可视化运行"
<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20ArrayStack%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%9F%BA%E4%BA%8E%E6%95%B0%E7%BB%84%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E7%9A%84%E6%A0%88%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%9E%84%E9%80%A0%E6%96%B9%E6%B3%95%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._stack%3A%20list%5Bint%5D%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20len%28self._stack%29%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._stack%20%3D%3D%20%5B%5D%0A%0A%20%20%20%20def%20push%28self,%20item%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%85%A5%E6%A0%88%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._stack.append%28item%29%0A%0A%20%20%20%20def%20pop%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%87%BA%E6%A0%88%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20self.is_empty%28%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20IndexError%28%22%E6%A0%88%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._stack.pop%28%29%0A%0A%20%20%20%20def%20peek%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20self.is_empty%28%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20IndexError%28%22%E6%A0%88%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._stack%5B-1%5D%0A%0A%20%20%20%20def%20to_list%28self%29%20-%3E%20list%5Bint%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%BF%94%E5%9B%9E%E5%88%97%E8%A1%A8%E7%94%A8%E4%BA%8E%E6%89%93%E5%8D%B0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._stack%0A%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack%20%3D%20ArrayStack%28%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack.push%281%29%0A%20%20%20%20stack.push%283%29%0A%20%20%20%20stack.push%282%29%0A%20%20%20%20stack.push%285%29%0A%20%20%20%20stack.push%284%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%20stack%20%3D%22,%20stack.to_list%28%29%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20stack.peek%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%20peek%20%3D%22,%20peek%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E6%A0%88%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20stack.pop%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%85%83%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22,%20pop%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%90%8E%20stack%20%3D%22,%20stack.to_list%28%29%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20stack.size%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20stack.is_empty%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20ArrayStack%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%9F%BA%E4%BA%8E%E6%95%B0%E7%BB%84%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E7%9A%84%E6%A0%88%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E6%9E%84%E9%80%A0%E6%96%B9%E6%B3%95%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._stack%3A%20list%5Bint%5D%20%3D%20%5B%5D%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20len%28self._stack%29%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._stack%20%3D%3D%20%5B%5D%0A%0A%20%20%20%20def%20push%28self,%20item%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%85%A5%E6%A0%88%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self._stack.append%28item%29%0A%0A%20%20%20%20def%20pop%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%87%BA%E6%A0%88%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20self.is_empty%28%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20IndexError%28%22%E6%A0%88%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._stack.pop%28%29%0A%0A%20%20%20%20def%20peek%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20self.is_empty%28%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20IndexError%28%22%E6%A0%88%E4%B8%BA%E7%A9%BA%22%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._stack%5B-1%5D%0A%0A%20%20%20%20def%20to_list%28self%29%20-%3E%20list%5Bint%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%BF%94%E5%9B%9E%E5%88%97%E8%A1%A8%E7%94%A8%E4%BA%8E%E6%89%93%E5%8D%B0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self._stack%0A%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack%20%3D%20ArrayStack%28%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E6%A0%88%0A%20%20%20%20stack.push%281%29%0A%20%20%20%20stack.push%283%29%0A%20%20%20%20stack.push%282%29%0A%20%20%20%20stack.push%285%29%0A%20%20%20%20stack.push%284%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%20stack%20%3D%22,%20stack.to_list%28%29%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20stack.peek%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%20peek%20%3D%22,%20peek%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E6%A0%88%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20stack.pop%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%85%83%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22,%20pop%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E6%A0%88%E5%90%8E%20stack%20%3D%22,%20stack.to_list%28%29%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20stack.size%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20stack.is_empty%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E6%A0%88%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全屏观看 ></a></div>
## 5.1.3 &nbsp; 两种实现对比
**支持操作**
两种实现都支持栈定义中的各项操作。数组实现额外支持随机访问，但这已超出了栈的定义范畴，因此一般不会用到。
**时间效率**
在基于数组的实现中，入栈和出栈操作都在预先分配好的连续内存中进行，具有很好的缓存本地性，因此效率较高。然而，如果入栈时超出数组容量，会触发扩容机制，导致该次入栈操作的时间复杂度变为 $O(n)$ 。
在基于链表的实现中，链表的扩容非常灵活，不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是，入栈操作需要初始化节点对象并修改指针，因此效率相对较低。不过，如果入栈元素本身就是节点对象，那么可以省去初始化步骤，从而提高效率。
综上所述，当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型时，例如 `int` 或 `double` ，我们可以得出以下结论。
- 基于数组实现的栈在触发扩容时效率会降低，但由于扩容是低频操作，因此平均效率更高。
- 基于链表实现的栈可以提供更加稳定的效率表现。
**空间效率**
在初始化列表时，系统会为列表分配“初始容量”，该容量可能超出实际需求；并且，扩容机制通常是按照特定倍率（例如 2 倍）进行扩容的，扩容后的容量也可能超出实际需求。因此，**基于数组实现的栈可能造成一定的空间浪费**。
然而，由于链表节点需要额外存储指针，**因此链表节点占用的空间相对较大**。
综上，我们不能简单地确定哪种实现更加节省内存，需要针对具体情况进行分析。
## 5.1.4 &nbsp; 栈的典型应用
- **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，浏览器就会对上一个网页执行入栈，这样我们就可以通过后退操作回到上一个网页。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，那么需要两个栈来配合实现。
- **程序内存管理**。每次调用函数时，系统都会在栈顶添加一个栈帧，用于记录函数的上下文信息。在递归函数中，向下递推阶段会不断执行入栈操作，而向上回溯阶段则会不断执行出栈操作。
Reference in a new issue View git blame Copy permalink