Java 實現括號匹配：棧的應用與優化

在編程中，括號匹配問題是一個常見的題目，尤其在編寫表達式解析器時，正確地識別和匹配括號是至關重要的。本文將討論如何使用 Java 實現括號匹配，并展示如何通過使用不同的棧實現進行優化。

題目描述

給定一個只包含括號的字符串，判斷字符串中的括號是否有效。有效的括號需滿足：

左括號必須用相同類型的右括號閉合。左括號必須以正確的順序閉合。

例如：

基礎實現：使用 Stack 類

Java 提供了 Stack 類來支持棧的基本操作。以下代碼展示了如何使用 Stack 類來實現括號匹配。

public boolean isValid(String s) {
    Stack<Character> stack = new Stack<>();
    for (char c : s.toCharArray()) {
        // 如果字符是左括號（小括號、大括號或方括號）
        if (c == '(' || c == '{' || c == '[') {
            // 將左括號壓入棧中
            stack.push(c);
        } else {
            // 如果棧為空，則返回false，表示括號不匹配
            if (stack.isEmpty()) return false;
            // 彈出棧頂元素
            char top = stack.pop();

            // 判斷右括號與棧頂元素是否匹配
            if (c == ')' && top != '(' ||
                c == '}' && top != '{' ||
                c == ']' && top != '[') return false;
        }
    }
    // 如果棧為空，表示所有括號都匹配成功，返回true；否則返回false
    return stack.isEmpty();
}

代碼分析 使用棧存儲左括號：當遇到左括號時，將其壓入棧中。匹配右括號：當遇到右括號時，檢查棧是否為空。如果為空，則說明沒有對應的左括號，返回 false。否則，彈出棧頂元素并檢查其是否與當前的右括號匹配。最終判斷：遍歷完成后，如果棧為空，則說明所有的括號都已匹配，返回 true；否則返回 false。 優化實現：使用 代替 Stack

雖然 Stack 是直接支持棧操作的類，但在性能上可以使用 來替代它。 是一個雙端隊列，但也可以用作棧，且比 Stack 更高效。

使用 的代碼實現

public boolean isValid(String s) {
    Deque<Character> stack = new ArrayDeque<>();
    for (char c : s.toCharArray()) {
        // 如果字符是左括號（小括號、大括號或方括號）
        if (c == '(' || c == '{' || c == '[') {
            // 將左括號壓入棧中
            stack.push(c);
        } else {

            // 如果棧為空，則返回false，表示括號不匹配
            if (stack.isEmpty()) return false;
            // 彈出棧頂元素
            char top = stack.pop();
            // 判斷右括號與棧頂元素是否匹配
            if (c == ')' && top != '(' ||
                c == '}' && top != '{' ||
                c == ']' && top != '[') return false;
        }
    }
    // 如果棧為空，表示所有括號都匹配成功，返回true；否則返回false
    return stack.isEmpty();
}

優化效果

提供了比 Stack 更好的性能表現，尤其在頻繁的壓入和彈出操作下。雖然兩者在 API 上看似相同，但在底層實現上， 基于數組而非同步的棧，因而避免了線程安全帶來的額外開銷。

總結

本文介紹了如何使用 Java 的 Stack 類和 類來實現括號匹配，并解釋了其中的代碼邏輯。通過使用 替代 Stack，我們可以進一步提升代碼的性能。

對于初學者來說，掌握這些基礎的數據結構和算法是至關重要的。希望這篇博客能夠幫助你理解如何處理括號匹配問題，以及如何在 Java 中有效地使用棧來解決類似問題。

三年級《數字編碼》教學反思.pptx

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