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栈的应用

1. 括号匹配

({([])}[])

最后出现的左括号最先被匹配(后进先出,LIFO)。每出现一个右括号,就“消耗”(出栈)一个左括号。

  • 遇到左括号就入栈。
  • 遇到右括号,就出栈一个左括号。

括号匹配算法流程图

实现思路:

  1. 依次扫描所有字符。
  2. 遇到左括号入栈。
  3. 遇到右括号则弹出栈顶元素,检查是否匹配。

匹配失败的情况:

  • 左括号单身:所有括号都检查完了,但是栈非空。
  • 右括号单身:扫描到右括号,但是此时栈空。
  • 左右括号不匹配:栈顶左括号,与当前的右括号不匹配。
bool bracketCheck(char str[], int length)
{
    SqStack S;
    InitStack(S);
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        if (str[i] == '(' || str[i] == '[' || str[i] == '{')
        {
            Push(S, str[i]);
        }
        else
        {
            if (StackEmpty(S))
            {
                return false;
            }
            char topElem;
            Pop(S, topElem);
            if (str[i] == ')' && topElem != '(')
            {
                return false;
            }
            if (str[i] == ']' && topElem != '[')
            {
                return false;
            }
            if (str[i] == '}' && topElem != '{')
            {
                return false;
            }
        }
    }
    return StackEmpty(S);
}

2. 表达式求值

$$ ((15 \div (7 - (1 + 1))) \times 3) - (2 + (1 + 1)) $$

构成:

  • 操作数
  • 运算符
  • 界限符

后缀表达式 = 逆波兰表达式(Reverse Polish notation)

前缀表达式 = 波兰表达式(Polish notation)

中缀表达式 后缀表达式 前缀表达式
$$a+b$$ $$ab+$$ $$+ab$$
$$a+b-c$$ $$ab+c-$$ $$-+abc$$
$$a+b-c \times d$$ $$ab+cd \times -$$ $$-+ab \times cd$$

2.1. 后缀表达式

中缀转后缀的手算方法:

  1. 确定中缀表达式中各个运算符的运算顺序
  2. 选择下一个运算符,按照【左操作数 右操作数 运算符】的方式组合成一个新的操作数
  3. 如果还有运算符没被处理,转 2
// 中缀表达式
((15 / (7 - (1 + 1))) * 3) - (2 + (1 + 1))
// 后缀表达式
15 7 1 1 + - / 3 * 2 1 1 + + -
// 中缀表达式
A + B * (C - D) - E / F
// 后缀表达式
A B C D - * + E F / -
// 另一种后缀表达式
A B C D - * E F / - +

“左优先”原则:只要左边的运算符能先计算,就优先算左边的。引入“左优先”原则后,中缀转后缀的结果就是唯一的。

// 中缀表达式
A + B - C * D / E + F
// 后缀表达式
A B + C D * E / - F +

后缀表达式的手算方法:

从左往右扫描,每遇到一个操作符,就让运算符前面最近的两个操作数执行对应运算,合体为一个操作数。

用栈实现后缀表达式的计算:

  1. 从左往右扫描下一个元素,直到处理完所有元素。
  2. 若扫描到操作数则压入栈,并回到 1,否则执行 3。
  3. 若扫描到运算符,则弹出两个栈顶元素,执行响应运算,运算结果压回栈顶,回到 1。

第三步中,先弹出右操作数,后弹出左操作数。

后缀表达式适用于基于栈的编程语言(stack-oriented programing language),如:Forth、PostScript。

2.2. 前缀表达式

中缀转前缀的手算方法:

  1. 确定中缀表达式中各个运算符的运算顺序
  2. 选择下一个运算符,按照【运算符 左操作数 右操作数】的方式组合成一个新的操作数
  3. 如果还有运算符没被处理,转 2

“右优先”原则:只要右边的运算符能先计算,就优先算右边的。

// 中缀表达式
A + B * (C - D) - E / F
// 前缀表达式
+ A - * B - C D / E F
// 中缀表达式
((15 / (7 - (1 + 1))) * 3) - (2 + (1 + 1))
// 前缀表达式
- * / 15 - 7 + 1 1 3 + 2 + 1 1

用栈实现前缀表达式的计算:

  1. 从右向左扫描下一个元素,直到处理完所有元素。
  2. 若扫描到操作数则压入栈,并回到 1,否则执行 3。
  3. 若扫描到运算符,则弹出两个栈顶元素,执行响应运算,运算结果压回栈顶,回到 1。

第三步中,先弹出左操作数,后弹出右操作数。

2.3. 用栈实现

2.3.1. 中缀表达式转后缀表达式(机算)

初始化一个栈,用于保存暂时还不能确定运算顺序的运算符。

从左到右处理各个元素,知道末尾,可能遇到三种情况:

  • 遇到操作数,直接加入后缀表达式。
  • 遇到界限符。
    • 遇到 "(" 直接入栈。
    • 遇到 ")" 则依次弹出站内运算符并加入后缀表达式,直到弹出 "(" 为止。"(" 不加入后缀表达式。
  • 遇到运算符。依次弹出栈中优先级高于或等于当前运算符的所有运算符,并加入后缀表达式,若碰到 "(" 或栈空则停止。之后再把当前运算符入栈。

按上述方法处理完所有字符后,将栈中剩余运算符依次弹出,并加入后缀表达式。

2.3.2. 中缀表达式求值(用栈实现)

$$ 中缀表达式求值 = 中缀转后缀 + 后缀表达式求值 $$

初始化两个栈,操作数栈和运算符栈。

若扫描到操作数,压入操作数栈。

若扫描到运算符或界限符,则按照“中缀转后缀”相同的逻辑压入运算符栈(期间也会弹出运算符,每当弹出一个运算符时,就需要再弹出两个操作数栈的栈顶元素并执行相应运算,运算结果再压回操作数栈)

3. 递归

3.1. 函数调用

函数调用的特点:最后被调用的函数最先执行结束。(FIFO)

函数调用时,需要用一个栈存储:

  1. 调用返回地址
  2. 实参
  3. 局部变量

3.2. 递归算法

适合用“递归”算法解决:可以把原始问题转换为属性相同,但规模更小的问题。

  • 计算正整数的阶乘。
  • 计算斐波那契数列。

实现递归表达式:

  • 递归表达式(递归体)
  • 边界条件(递归出口)
int factorial(int n)
{
    if (n == 0 || n == 1)
    {
        return 1;
    }
    else
    {
        return n * factorial(n-1);
    }
}

递归调用时,函数调用栈可称为“递归工作栈”。

  • 每进入一层递归,就将递归调用所需的信息压入栈顶。
  • 每退出一层递归,就从栈顶弹出相应信息。
int Fib(int n)
{
    if (n == 0)
    {
        return 0;
    }
    else if (n == 1)
    {
        return 1;
    }
    else
    {
        return Fib(n-1) * Fib(n-2);
    }
}

递归缺点:

  • 太多层递归可能会导致栈溢出。
  • 可能包含很多重复计算。

可以自定义栈,将递归算法改造成非递归算法。