Java实现的有效括号字符串验证器

引言

在编程中，经常需要验证一组字符串中的括号是否正确配对。例如，检查一段代码或表达式中的圆括号、方括号和花括号是否成对出现。这类问题不仅在编程语言解析器中非常重要，也是许多软件开发场景中的基础需求。本文将介绍一种基于Java语言实现的有效括号字符串验证器，并通过JUnit框架对其进行测试。

问题描述

给定一个只包含 '(', ')', '{', '}', '[', ']' 的字符串 s，编写一个函数来检验字符串中的括号是否有效。有效的括号字符串需满足：

1. 开闭括号必须以正确的顺序出现。
2. 每个开括号必须有相应闭括号。
3. 每个闭括号必须有相应开括号。

设计思路

为了解决这个问题，我们可以使用栈的数据结构来追踪每个开括号。当我们遇到一个开括号时，就将其压入栈中；当我们遇到一个闭括号时，就需要检查栈顶的开括号是否与之匹配。如果不匹配或栈为空，则字符串无效。如果遍历完成后栈为空，则说明所有的括号都正确配对。

实现代码

以下是使用Java语言实现的有效括号字符串验证器的代码：

import java.util.Stack;

public class Solution {

    
    public boolean isValid(String s) {

    
        Stack<Character> stack = new Stack<>();
        
        for (char c : s.toCharArray()) {

    
            switch (c) {

    
                case '(':
                case '[':
                case '{':
                    stack.push(c);
                    break;
                case ')':
                    if (stack.isEmpty() || stack.pop() != '(') return false;
                    break;
                case ']':
                    if (stack.isEmpty() || stack.pop() != '[') return false;
                    break;
                case '}':
                    if (stack.isEmpty() || stack.pop() != '{') return false;
                    break;
                default:
                    // 忽略非括号字符
                    break;
            }
        }
        
        return stack.isEmpty();
    }
    
    public static void main(String[] args) {

    
        Solution solution = new Solution();
        System.out.println(solution.isValid("()[]{}")); // 应该输出 true
        System.out.println(solution.isValid("(]"));     // 应该输出 false
        System.out.println(solution.isValid("([)]"));   // 应该输出 false
        System.out.println(solution.isValid("{[]}"));   // 应该输出 true
    }
}

代码解释

1. 初始化栈：使用Stack类创建一个空栈。
2. 遍历字符串：将字符串转换为字符数组，并遍历每个字符。
3. 入栈：遇到开括号时，将其压入栈中。
4. 匹配并出栈：遇到闭括号时，检查栈是否为空，如果为空或栈顶元素与当前闭括号不匹配，则返回false；否则弹出栈顶元素。
5. 返回结果：如果栈为空，则所有括号都已正确配对，返回true；否则返回false。

单元测试

为了确保代码的正确性和健壮性，我们可以使用JUnit框架编写测试用例：

import org.junit.Test;
import static org.junit.Assert.*;

public class SolutionTest {

    
    private Solution solution = new Solution();

    @Test
    public void testIsValid() {

    
        assertTrue(solution.isValid("()"));
        assertTrue(solution.isValid("()[]{}"));
        assertFalse(solution.isValid("(]"));
        assertFalse(solution.isValid("([)]"));
        assertTrue(solution.isValid("{[]}"));
    }
}

import java.util.Stack;

public class Solution {

    
    /**

     * 检查字符串中的括号是否有效配对。

     *

     * @param s 输入的字符串，只包含'(',')','[',']','{','}'。

     * @return 如果字符串中的括号有效配对，返回true；否则返回false。

     */
    public boolean isValid(String s) {

    
        char[] parentheses = {

    '(', ')', '[', ']', '{', '}'};
        int i = 0;
        char c;
        int[] sum = {

    0, 0, 0}; // 用于记录每种括号的数量
        Stack<Integer> top = new Stack<>(); // 用于存放遇到的开括号
        
        // 遍历字符串中的每个字符
        while (i < s.length) {

    
            c = s.charAt(i);
            // 检查字符是否为开括号
            for (int j = 0; j <= 2; j++) {

    
                if (c == parentheses[j]) {

    
                    top.push(j); // 将对应的索引值推入栈
                    sum[j]++; // 记录开括号数量增加
                } else if (c == parentheses[j + 3]) {

    
                    // 检查字符是否为闭括号
                    if (top.size() == 0 || top.peek() != j) {

    
                        // 栈为空或栈顶的开括号与当前闭括号不匹配，返回false
                        return false;
                    }
                    top.pop(); // 弹出栈顶的开括号
                    sum[j]--; // 记录开括号数量减少
                }
                // 如果既不是开括号也不是闭括号，则忽略
            }
            i++;
        }
        
        // 遍历完成之后检查每种括号的数量是否为0
        for (int j = 0; j <= 2; j++) {

    
            if (sum[j] != 0) {

    
                // 如果有任何一种括号数量不为0，说明有未配对的括号，返回false
                return false;
            }
        }
        
        // 如果所有括号都正确配对，返回true
        return true;
    }
    
    public static void main(String[] args) {

    
        Solution solution = new Solution();
        System.out.println(solution.isValid("()[]{}")); // 应该输出 true
        System.out.println(solution.isValid("(]"));     // 应该输出 false
        System.out.println(solution.isValid("([)]"));   // 应该输出 false
        System.out.println(solution.isValid("{[]}"));   // 应该输出 true
    }
}

代码解释

1. 初始化变量：

   
   
   • parentheses 数组存储了所有可能的括号字符。
   • sum 数组用于记录每种类型括号的数量。
   • top 栈用于存放遇到的开括号的索引值。

2. 遍历字符串：

   
   
   • 使用 while 循环遍历字符串中的每个字符。
   • 使用内部 for 循环检查字符是否为开括号或闭括号。

3. 处理开括号：

   
   
   • 如果字符是开括号，将其对应的索引值推入栈，并在 sum 数组中对应位置增加计数。

4. 处理闭括号：

   
   
   • 如果字符是闭括号，检查栈是否为空或栈顶的开括号是否与之匹配。
   • 如果不匹配或栈为空，则返回 false。
   • 否则，弹出栈顶的开括号，并在 sum 数组中对应位置减少计数。

5. 检查括号数量：

   
   
   • 在遍历完成后，检查每种括号的数量是否为零。
   • 如果有任何一种括号数量不为零，则返回 false。

6. 返回结果：

   
   
   • 如果所有括号都正确配对，返回 true。

结论

通过上述方法，我们成功实现了一个简单而高效的括号字符串验证器。该验证器利用栈的先进后出特性，有效地解决了括号配对问题。此外，通过JUnit测试框架，我们还确保了代码的质量和可靠性。这对于软件开发中的各种应用场景都是非常有用的。
有效括号