Java 經典實作：從零打造一個堆疊結構

堆疊是資料結構中基礎且重要的一環，遵循「後進先出」（LIFO, Last In First Out）原則，常用於實現遞迴、運算式求值、瀏覽器歷史記錄等場景。本文將帶領讀者從零開始，使用 Java 實作一個功能完整的整數堆疊，並深入解析核心邏輯。

核心操作定義

一個標準的堆疊主要包含三個核心操作：

• push (推入)：將元素放入堆疊頂端。
• pop (彈出)：移除並返回堆疊頂端元素。
• peek (窺視)：僅返回堆疊頂端元素，不移除它。

程式碼實作

以下是一個固定容量的整數堆疊實作 ToyStack，包含邊界檢查與異常處理：

/** 
 * 簡易整數堆疊實作 
 */
public class ToyStack {
    /** 堆疊最大深度 */
    protected int MAX_DEPTH = 10;
    /** 目前堆疊深度 */
    protected int depth = 0;
    /** 底層儲存陣列 */
    protected int[] stack = new int[MAX_DEPTH];

    /**
     * 推入元素
     * @param n 待推入的整數
     * @throws RuntimeException 當堆疊已滿時拋出
     */
    protected void push(int n) {
        if (depth == MAX_DEPTH - 1) {
            throw new RuntimeException("堆疊已滿，無法再添加元素。");
        }
        stack[depth++] = n;
    }

    /**
     * 彈出頂端元素
     * @return 頂端元素值
     * @throws RuntimeException 當堆疊為空時拋出
     */
    protected int pop() {
        if (depth == 0) {
            throw new RuntimeException("堆疊中元素已被取完，無法再取。");
        }
        // 先遞減 depth，再取值，相當於刪除頂端元素
        return stack[--depth];
    }

    /**
     * 窺視頂端元素但不移除
     * @return 頂端元素值
     * @throws RuntimeException 當堆疊為空時拋出
     */
    protected int peek() {
        if (depth == 0) {
            throw new RuntimeException("堆疊中元素已被取完，無法再取。");
        }
        return stack[depth - 1];
    }
}

關鍵邏輯解析

1. 陣列與指標模擬堆疊

使用 int[] stack 作為靜態儲存空間，depth 變數同時扮演「目前元素數量」與「下一個可寫入索引」的雙重角色。這是陣列實作堆疊最經典的模式。

2. pop() 中的前置遞減 --depth

return stack[--depth]; 這行程式碼精妙地完成了兩件事：將指標向下移一格（邏輯上移除頂端元素），並返回新指標位置的值。若改用 depth-- 會導致索引越界或返回錯誤值。

3. 防禦性程式設計

在 push、pop、peek 中均檢查邊界條件（滿/空），並拋出 RuntimeException。這比返回特殊值（如 -1）更安全，避免呼叫端忽略錯誤狀態。

擴充建議

此實作為教學示範，實務上可考慮以下增強：

• 使用 ArrayList 或動態陣列擴容，移除固定容量限制。
• 改用泛型 <T> 支援任意物件類型（參見進階版實作）。
• 實作 Iterable 介面，支援增強型 for 迴圈遍歷。
• 加入 size()、isEmpty()、clear() 等輔助方法。

掌握堆疊實作細節，不僅能深化對資料結構的理解，更是面試與系統設計的必備基本功。