Java链式栈实现教程与代码技巧

小伙伴们对文章编程感兴趣吗？是否正在学习相关知识点？如果是，那么本文《Java链式栈实现与基础代码技巧》，就很适合你，本篇文章讲解的知识点主要包括。在之后的文章中也会多多分享相关知识点，希望对大家的知识积累有所帮助！

链式栈的核心实现是通过单向链表在头部进行所有操作以满足LIFO特性，1. 节点类包含数据和指向下一节点的引用；2. 栈类维护top指针和size计数器；3. push操作将新节点置为新的栈顶；4. pop操作移除并返回栈顶元素，需检查空栈；5. peek操作返回栈顶元素但不移除；6. 所有基本操作均为O(1)时间复杂度；7. 链式栈优势在于动态扩容，避免栈满问题，适用于元素数量不确定的场景；8. 缺点是每个节点额外占用指针内存，可能导致较高内存开销和碎片化；9. 常见错误包括未处理空栈导致NullPointerException、top指针更新错误、size变量维护不一致及泛型使用不当；10. 实际应用包括撤销重做功能、表达式求值、浏览器历史记录、深度优先搜索和函数调用栈等，其动态性和高效操作使其在多种算法和系统机制中具有重要价值。

在Java中，用链表实现链式栈，核心在于利用链表的动态特性来模拟栈的“后进先出”（LIFO）行为。这意味着我们不再受限于固定大小的数组，可以根据需要自由地增减元素。本质上，它是一个单向链表，所有的操作——入栈（push）、出栈（pop）、查看栈顶（peek）——都集中在链表的头部进行，因为这样效率最高，也最符合栈的逻辑。

解决方案

要构建一个链式栈，我们需要两个基本组件：一个表示栈中元素的“节点”类，以及一个管理这些节点的“栈”类。

节点（Node）类

这是链式栈的基石。每个节点都包含两部分信息：实际存储的数据，以及一个指向下一个节点的引用。

class Node<T> {
    T data;         // 存储的数据
    Node<T> next;   // 指向下一个节点的引用

    public Node(T data) {
        this.data = data;
        this.next = null; // 新节点默认不指向任何地方
    }
}

链式栈（LinkedStack）类

这个类将负责封装栈的所有操作。我们需要一个top引用来始终指向栈的顶部元素，以及一个size变量来跟踪栈中元素的数量，这在某些场景下会很有用。

public class LinkedStack<T> {
    private Node<T> top; // 栈顶元素，所有操作都围绕它进行
    private int size;    // 栈中元素的数量

    public LinkedStack() {
        this.top = null; // 初始时栈是空的
        this.size = 0;
    }

    /**
     * 入栈操作：将元素添加到栈顶。
     * 这是一个O(1)操作，非常高效。
     */
    public void push(T item) {
        Node<T> newNode = new Node<>(item);
        newNode.next = top; // 新节点指向当前的栈顶
        top = newNode;      // 新节点成为新的栈顶
        size++;
        // 思考一下，这种操作方式，新元素总是在最前面，这正是栈的LIFO特性所需要的。
    }

    /**
     * 出栈操作：移除并返回栈顶元素。
     * 同样是O(1)操作。
     */
    public T pop() {
        if (isEmpty()) {
            // 必须处理栈空的情况，否则会遇到NullPointerException。
            // 抛出异常是比较标准的做法，告知调用者栈无法执行此操作。
            throw new IllegalStateException("Stack is empty, cannot pop.");
        }
        T data = top.data; // 获取栈顶数据
        top = top.next;    // 栈顶下移，指向下一个节点
        size--;
        return data;
    }

    /**
     * 查看栈顶元素：返回栈顶元素但不移除它。
     * O(1)操作。
     */
    public T peek() {
        if (isEmpty()) {
            // 同样需要检查栈是否为空。
            throw new IllegalStateException("Stack is empty, cannot peek.");
        }
        return top.data; // 直接返回栈顶数据
    }

    /**
     * 判断栈是否为空。
     */
    public boolean isEmpty() {
        return top == null; // 或者 return size == 0; 效果一样，但top == null更直观地反映结构状态。
    }

    /**
     * 返回栈中元素的数量。
     */
    public int size() {
        return size;
    }

    // 可以在这里添加一个简单的main方法进行测试
    public static void main(String[] args) {
        LinkedStack<String> myStack = new LinkedStack<>();
        System.out.println("Is stack empty? " + myStack.isEmpty()); // true

        myStack.push("Apple");
        myStack.push("Banana");
        myStack.push("Cherry");

        System.out.println("Stack size: " + myStack.size()); // 3
        System.out.println("Top element: " + myStack.peek()); // Cherry

        System.out.println("Popped: " + myStack.pop()); // Cherry
        System.out.println("Stack size after pop: " + myStack.size()); // 2
        System.out.println("New top element: " + myStack.peek()); // Banana

        myStack.push("Date");
        System.out.println("Top element after push: " + myStack.peek()); // Date

        while (!myStack.isEmpty()) {
            System.out.println("Popping: " + myStack.pop());
        }
        System.out.println("Is stack empty now? " + myStack.isEmpty()); // true

        try {
            myStack.pop(); // This should throw an exception
        } catch (IllegalStateException e) {
            System.out.println("Caught expected error: " + e.getMessage());
        }
    }
}

链式栈与数组栈：何时选择链式实现？

在选择栈的底层实现时，我们通常会在链式栈和基于数组的栈（比如Java的ArrayDeque或Stack类内部）之间做权衡。链式栈最显著的优势在于其动态扩容的能力。它不需要预先设定容量，理论上只要内存允许，就可以无限地添加元素。这意味着你永远不会遇到“栈满”导致的操作失败，这对于那些元素数量难以预测的应用场景来说，简直是福音。

另一方面，数组栈在特定情况下可能会更快，尤其是在访问元素时（因为数组是连续内存），但它最大的痛点在于固定容量。一旦达到容量上限，就需要进行扩容操作，这通常涉及到创建一个更大的新数组并将所有旧元素复制过去，这个过程的开销是O(N)级别的，虽然不常发生，但一旦发生，会带来性能上的瞬时抖动。

链式栈的每个操作（push、pop、peek）都是O(1)的，因为它只涉及对top引用和几个指针的修改，与栈中元素的总数无关。不过，链式栈的缺点在于内存开销。每个节点除了存储数据本身，还需要额外存储一个指向下一个节点的引用。这意味着每个元素会比数组栈多占用一些内存（通常是8字节或更多，取决于系统架构），这在存储大量小对象时可能会累积成可观的开销。而且，链式存储可能导致内存碎片化，尽管现代JVM的垃圾回收器在这方面做得很好，但这也是其与数组连续内存特性不同之处。因此，如果你对内存使用非常敏感，或者栈的规模相对固定且不大，数组栈可能更优；而如果追求极致的动态性，或者栈的深度变化莫测，链式栈的优势就凸显出来了。

实现链式栈时常见的错误与陷阱有哪些？

在编写链式栈时，一些常见的错误和陷阱可能会导致程序行为异常，甚至崩溃。

1. 空栈操作未处理（NullPointerException）

这是最常见也最危险的错误。当你尝试从一个空栈中pop()或peek()时，top引用将是null。如果此时不进行检查直接访问top.data或top.next，就会立即抛出NullPointerException。正确的做法是在这些方法开始时，先用if (isEmpty())进行判断，并根据业务需求选择返回null、抛出IllegalStateException或其他自定义异常。在我的示例代码中，我选择了抛出IllegalStateException，这是一种明确告知调用者操作不合法的强硬方式。

2. top引用更新错误

push和pop操作的核心就是正确地更新top引用。

• 在push时，新节点应该指向当前的top，然后新节点才成为新的top。顺序错了，链就断了。
• 在pop时，top应该指向top.next。如果忘记了这一步，或者错误地指向了其他地方，就会导致栈的逻辑混乱，可能出现无限循环或者数据丢失。

3. size变量维护不一致

虽然不是核心功能，但size变量对于获取栈的当前大小非常有用。如果每次push时没有size++，或者每次pop时没有size--，那么size()方法返回的值就会不准确。这看似小问题，但在依赖栈大小进行逻辑判断或资源分配的场景中，可能引发难以追踪的bug。养成每次修改栈元素数量时同步更新size的好习惯。

4. 泛型使用不当（Java特有）

在Java中，使用泛型LinkedStack可以确保栈能够存储任何类型的对象，并提供编译时类型安全。如果在定义Node或LinkedStack时没有正确使用泛型，或者在实例化时混淆了类型，可能会导致ClassCastException（运行时错误）或类型不匹配的编译错误。

这些错误往往都围绕着对top引用和链表结构的理解是否透彻。画图是避免这些错误最有效的方法之一，模拟每一步操作后top和各个节点的next指针的变化，能帮助你清晰地看到逻辑上的漏洞。

链式栈在实际编程中有哪些应用场景？

链式栈作为一种基础数据结构，其“后进先出”的特性使其在许多实际编程问题中都扮演着关键角色。

1. 撤销/重做（Undo/Redo）功能

这是最直观的应用之一。在文本编辑器、图形设计软件等应用中，用户的每一次操作（比如输入一个字符、移动一个对象）都可以被看作是一个“事件”并被压入一个“操作栈”。当用户点击“撤销”时，就从栈顶弹出一个操作并将其反向执行。如果需要“重做”功能，可以再维护一个“重做栈”，将撤销的操作压入其中。

2. 表达式求值与语法分析

在编译器或解释器中，栈常用于处理算术表达式（如中缀表达式转后缀表达式，然后求值）和进行语法分析。例如，在将中缀表达式转换为后缀表达式时，运算符的优先级和括号的匹配都需要栈来辅助判断和存储。

3. 浏览器历史记录（后退/前进）

虽然不完全是链式栈的直接实现，但浏览器“后退”按钮的功能逻辑与栈高度相似。每访问一个新页面，就将其URL压入一个栈。点击“后退”时，弹出当前页面，并加载栈顶的URL。类似地，“前进”功能也可以用另一个栈来辅助实现。

4. 深度优先搜索（DFS）

在图和树的遍历中，深度优先搜索算法常常使用栈（或递归，递归本质上也是利用了系统调用栈）来管理待访问的节点。当访问一个节点时，将其邻居节点压入栈中，然后从栈中弹出一个节点继续访问，直到栈为空。

5. 函数调用栈（Call Stack）

这是操作系统和编程语言运行时环境的核心机制。当一个函数被调用时，它的局部变量、参数和返回地址等信息会被压入一个“调用栈”（Call Stack）。当函数执行完毕返回时，这些信息就会从栈中弹出。递归函数的实现也正是基于这种机制，每次递归调用都会在调用栈上创建一个新的栈帧。

链式栈的动态性和操作的常数时间复杂度，使其成为这些场景下非常合适的选择。它在处理那些需要灵活管理顺序、且操作集中在末尾（或开头）的数据流时，展现出强大的实用价值。

理论要掌握，实操不能落！以上关于《Java链式栈实现教程与代码技巧》的详细介绍，大家都掌握了吧！如果想要继续提升自己的能力，那么就来关注golang学习网公众号吧！