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Java Stack 类（建议收藏）

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在 Java 编程中，栈（Stack）是一种经典的线性数据结构，其核心特性是“后进先出”（LIFO）。Java 标准库中内置了 Stack 类，它提供了对栈操作的便捷实现。然而，许多开发者对 Stack 类的具体用法、潜在问题以及实际应用场景仍存在困惑。本文将从基础概念出发，结合代码示例和实际案例，深入讲解 Java Stack 类 的核心知识点，并探讨其在不同场景下的使用技巧。

一、栈（Stack）的基本概念与特性

1. 栈的定义与比喻

栈可以想象为一个“叠盘子”的结构：每次只能从顶部添加或移除盘子。这种“后进先出”的特性是栈的核心特征。例如，当你将盘子逐个叠放时，最后一个放上去的盘子（后进）会最先被取走（先出）。

在编程中，栈的常见操作包括：

  • Push：将元素压入栈顶。
  • Pop：移除并返回栈顶元素。
  • Peek：查看栈顶元素但不移除。

2. Java 中的 Stack 类实现

Java 的 Stack 类位于 java.util 包中，它继承自 Vector 类，并实现了 Deque 接口的部分功能。以下是其核心代码结构：

public class Stack<E> extends Vector<E> implements Cloneable, java.io.Serializable {
    // 栈的具体实现方法
}

需要注意的是，Stack 类虽然功能强大，但它的线程安全性较低（继承自 Vector 的同步机制可能影响性能），因此在多线程环境下需谨慎使用。

二、Stack 类的核心方法详解

1. 常用操作方法

(1) 入栈操作：push(E element)

Stack<Integer> stack = new Stack<>();
stack.push(10);  // 将10压入栈顶
stack.push(20);  // 栈顶变为20

(2) 出栈操作：pop()

int poppedValue = stack.pop();  // 移除并返回栈顶元素（20）
System.out.println(poppedValue); // 输出：20

(3) 查看栈顶元素：peek()

int topElement = stack.peek();  // 查看栈顶元素（此时栈顶为10）

(4) 检查栈是否为空：empty()

if (stack.empty()) {
    System.out.println("栈为空！");
}

2. 扩展方法与注意事项

(1) 获取栈的大小：search(Object element)

此方法返回指定元素距离栈顶的位置（从1开始计数），若未找到返回 -1。例如：

stack.push(30);
int position = stack.search(20);  // 返回-1，因为20已被弹出

(2) 异常处理

当尝试从空栈执行 pop() 或 peek() 操作时，会抛出 EmptyStackException。例如：

try {
    stack.pop();
} catch (EmptyStackException e) {
    System.out.println("栈已空，无法弹出元素！");
}

三、Stack 类与 ArrayList 的对比

1. 核心区别：数据访问模式

  • Stack：仅允许对栈顶元素进行操作，严格遵循 LIFO 原则。
  • ArrayList：支持随机访问和修改任意位置的元素，灵活性更高。

2. 使用场景选择

场景类型推荐使用 Stack 类推荐使用 ArrayList 类
表达式求值、括号匹配是否
需要频繁访问中间元素否是

3. 性能与线程安全

  • 线程安全：Stack 继承自 Vector，其方法通过 synchronized 实现线程安全，但同步开销较大。
  • ArrayList：默认是非线程安全的，但可通过 Collections.synchronizedList() 包装实现线程安全。

四、Stack 类的实际案例：括号匹配

1. 问题描述

编写一个程序，验证字符串中的括号是否匹配。例如，输入 "({[]})" 返回 true，输入 "({[)]}" 返回 false。

2. 实现思路

使用栈来记录每个左括号的位置。当遇到右括号时，检查栈顶的左括号是否匹配。

public static boolean isValid(String s) {
    Stack<Character> stack = new Stack<>();
    for (char c : s.toCharArray()) {
        if (c == '(' || c == '{' || c == '[') {
            stack.push(c);
        } else {
            if (stack.empty()) return false;
            char top = stack.pop();
            if ((c == ')' && top != '(') ||
                (c == '}' && top != '{') ||
                (c == ']' && top != '[')) {
                return false;
            }
        }
    }
    return stack.empty();
}

3. 代码解析

  • 入栈逻辑：左括号入栈，记录顺序。
  • 出栈逻辑：右括号时弹出栈顶元素并验证匹配性。
  • 最终检查：若栈非空，说明存在未匹配的左括号。

五、Stack 类的进阶用法与优化

1. 泛型与类型安全

Java 5 引入泛型后，Stack 支持泛型参数，避免类型转换错误。例如：

Stack<String> stringStack = new Stack<>();
stringStack.push("Hello"); // 正确
stringStack.push(123);    // 编译报错，类型不匹配

2. 替代方案：Deque 接口

Java 6 后推荐使用 Deque 接口（如 ArrayDeque）实现栈功能，因其性能更优且线程安全选项更灵活。例如：

Deque<Integer> dequeStack = new ArrayDeque<>();
dequeStack.push(100);     // 使用Deque的push方法
int value = dequeStack.pop();

3. 性能优化建议

  • 预分配容量：通过构造函数指定初始容量，减少扩容开销。例如： 
    Stack<Integer> stack = new Stack<>(100); // 初始容量为100
  • 避免频繁同步：在单线程场景中，优先使用 Deque 替代 Stack。

六、常见问题与解决方案

1. 为什么 Stack 类不推荐在多线程中使用？

Stack 的线程安全机制基于 Vector 的 synchronized 方法，但其同步粒度过粗，可能导致性能瓶颈。多线程场景建议使用 Deque 的 ArrayDeque 并配合同步包装器：

Deque<String> threadSafeDeque = new ArrayDeque<>();
threadSafeDeque = Collections.synchronizedDeque(threadSafeDeque);

2. 如何避免 EmptyStackException？

在调用 pop() 或 peek() 前，始终检查 empty() 方法：

if (!stack.empty()) {
    stack.pop();
}

结论

Java Stack 类 是实现后进先出（LIFO）数据结构的便捷工具，其核心方法简洁直观，适用于括号匹配、表达式求值等典型场景。然而，开发者需注意其线程安全性和性能限制。随着 Java 版本的演进，Deque 接口的实现类（如 ArrayDeque）逐渐成为更优的选择。

通过本文的讲解，读者应能掌握 Stack 类的基本用法、潜在问题及替代方案，从而在实际开发中灵活运用这一经典数据结构。

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