数据结构专题——栈
一、栈（stack）（可与队列对比进行学习）
思想：栈实现的是一种后进先出（last-in,first-out,LIFO）策略。（《算法导论》）
定义：栈是限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表（具有线性关系/前驱后继关系）。（《大话数据结构》）
术语：
栈的两端：栈顶(top)：允许插入和删除操作的一端。栈底(bottom)：不允许插入和删除的一端。（栈特点：栈底是固定的，最先进栈的只能在栈底）
操作：栈的插入操作(insert)：进栈，入栈，压栈(也可称作压入操作：push)。 栈的删除操作(delete)：出栈，弹栈(也可称作弹出操作：pop)。
空栈：不含任何数据元素的栈(empty stack)。（与此对应的应该有术语满栈(full stack)，它们强调栈中数据状态）
栈下溢(underflow)：对空栈进行出栈操作。栈上溢(overflow)：对满栈进行入栈操作。
二、栈的抽象数据类型（ADT）
栈的主要方法实现/操作（主要参考《大话数据结构》）：
1.初始化栈(InitStack)
2.清空栈(ClearStack)（将栈的数据清空,若内存是动态分配则释放内存）
3.判断栈是否为空栈(StackEmpty)
4.获得栈顶元素(GetTop)
5.压栈(Push)
6.弹栈(Pop)
7.获得栈的元素个数(StackLength)
栈的数据结构实现：（栈属于线性表这一类数据结构）
1.顺序栈：顺序表实现，采用顺序存储结构。（数据按照前驱后继关系在连续储存单元中如数组中存储，array implementation）
2.链栈：链表实现，采用链式存储结构。（数据通过指针或索引连接并在存储单元中不连续存储， linked-list implementation）
三、栈的思考
1.栈的重要应用：
递归；
回溯；
深度优先搜索；
在算术表达式求值：利用栈将中缀表达式转化为后缀表达式再求值；
数制转换：例如利用栈将一个十进制整数N转换为另一个等价的基为B的B进制数；
迷宫求解；
2.需要用到两个栈时：只使用一个数组来实现顺序存储结构的两个栈。可以令他们的栈底分别位于数组的两端，在数组中分别向两端进行入栈和出栈操作，以节约两个栈使用的空间（当两个栈总的数据元素个数大于数组长度时会发生上溢）。
四、算法C实现（C++可使用STL中stack: #include
这里顺序栈实现采用静态数组，链栈实现采用动态内存；
顺序栈：
1.栈底元素为数组第一个元素，空栈时索引值top值为-1，满栈时top值为数组长度减1，top指示栈顶数据在数组中的索引值；
（也有其他实现方法：空栈top值为0，满栈时top值为数组长度，top指示栈顶数据在数组中的索引值减1。这种方法避免了top为负数情况，但每次获得所以数据时top都要减1）
2.根据栈顶的索引值(top)来确定栈是否溢出；
头文件 stack.h：
/**
* @file stack.h
* @brief stack data structure header.
* The stack use sequence list.
* @author chenxilinsidney
* @version 1.0
* @date 2015-01-21
*/
#ifndef __STACK_H__
#define __STACK_H__
#include
#include
#include
// #define NDEBUG
#include
/// function return state
#ifndef OK
#define OK 1
#endif
#ifndef ERROR
#define ERROR 0
#endif
#ifndef TRUE
#define TRUE 1
#endif
#ifndef FALSE
#define FALSE 0
#endif
/// data type, can be modified
typedef int Status; ///< status data type
typedef int ElementType; ///< element data type
typedef int CommonType; ///< common data type
/// stack array maz length, can be modified
#define STACK_MAXSIZE 1000
/// stack data structure
typedef struct {
ElementType data[STACK_MAXSIZE]; ///< stack elements
CommonType top; ///< stack top data index
}Stack;
/// stack methods
/// initialize stack
void InitStack(Stack* S);
/// clear stack
void ClearStack(Stack* S);
/// detect if stack is empty
Status StackEmpty(Stack* S);
/// get stack length
CommonType StackLength(Stack* S);
/// get top element from the stack
Status GetTop(Stack* S, ElementType* e);
/// push element to the stack
Status Push(Stack* S, ElementType e);
/// pop element from the stack
Status Pop(Stack* S, ElementType* e);
#endif // __STACK_H__ 实现文件 stack.c：
/**
* @file stack.c
* @brief stack method implements.
* The methods use to help debug the program.
* The stack use sequence list.
* @author chenxilinsidney
* @version 1.0
* @date 2015-01-21
*/
#include "stack.h"
/**
* @brief initialize the stack.
*
* @param[in,out] S stack struct pointer
*
*/
void InitStack(Stack* S)
{
assert(S != NULL);
/// initialize top index only, ignore the stack data
S->top = -1;
}
/**
* @brief clear the stack.
*
* @param[in,out] S stack struct pointer
*
*/
void ClearStack(Stack* S)
{
assert(S != NULL && S->top >= -1);
/// set top index only, ignore the stack data
S->top = -1;
}
/**
* @brief detect if the stack is empty.
*
* @param[in] S stack struct pointer
*
* @return return TRUE if empty, else return FALSE
*/
Status StackEmpty(Stack* S)
{
assert(S != NULL && S->top >= -1);
/// detect top index value
if (S->top == -1)
return TRUE;
else
return FALSE;
}
/**
* @brief get stack length.
*
* @param[in] S stack struct pointer
*
* @return stack length
*/
CommonType StackLength(Stack* S)
{
assert(S != NULL && S->top >= -1);
return S->top + 1;
}
/**
* @brief get top element from the stack.
*
* @param[in] S stack struct pointer
* @param[out] e the element
*
* @return return OK if success, else return ERROR
*/
Status GetTop(Stack* S, ElementType* e)
{
assert(S != NULL && e != NULL && S->top >= -1);
if (S->top == -1)
return ERROR;
/// get element from stack
*e = S->data[S->top];
return OK;
}
/**
* @brief push element to the stack.
*
* @param[in,out] S stack struct pointer
* @param[in] e the element to be insert
*
* @return return OK if success, else return ERROR
*/
Status Push(Stack* S, ElementType e)
{
assert(S != NULL && S->top >= -1);
if (S->top == STACK_MAXSIZE - 1)
return ERROR;
S->data[++(S->top)] = e;
return OK;
}
/**
* @brief pop element from the stack.
*
* @param[in,out] S stack struct pointer
* @param[out] e the element to be deleted
*
* @return return OK and set e if success, else return ERROR
*/
Status Pop(Stack* S, ElementType* e)
{
assert(S != NULL && e != NULL && S->top >= -1);
if (S->top == -1)
return ERROR;
*e = S->data[(S->top)--];
return OK;
} 1.栈顶位于单链表的头部结点top,头部结点数据为栈顶数据；
2.采用辅助变量count记录数据元素长度,避免遍历链表获取长度信息，这种实现方式也可在其他使用链表的数据结构中使用；
头文件 stack.h：
/**
* @file stack.h
* @brief stack data structure header.
* The stack use linked list.
* @author chenxilinsidney
* @version 1.0
* @date 2015-01-21
*/
#ifndef __STACK_H__
#define __STACK_H__
#include
#include
#include
// #define NDEBUG
#include
/// function return state
#ifndef OK
#define OK 1
#endif
#ifndef ERROR
#define ERROR 0
#endif
#ifndef TRUE
#define TRUE 1
#endif
#ifndef FALSE
#define FALSE 0
#endif
/// data type, can be modified
typedef int Status; ///< status data type
typedef int ElementType; ///< element data type
typedef int CommonType; ///< common data type
/// stack data structure
typedef struct StackNode {
ElementType data; ///< stack elements
struct StackNode* next; ///< stack node pointer
}StackNode, *StackPtr;
typedef struct Stack {
StackPtr top; ///< stack top data pointer
CommonType count; ///< stack data count
}Stack;
/// stack methods
/// initialize stack
void InitStack(Stack* S);
/// clear stack
void ClearStack(Stack* S);
/// detect if stack is empty
Status StackEmpty(Stack* S);
/// get stack length
CommonType StackLength(Stack* S);
/// get top element from the stack
Status GetTop(Stack* S, ElementType* e);
/// push element to the stack
Status Push(Stack* S, ElementType e);
/// pop element from the stack
Status Pop(Stack* S, ElementType* e);
#endif // __STACK_H__ /**
* @file stack.c
* @brief stack method implements.
* The methods use to help debug the program.
* The stack use linked list.
* @author chenxilinsidney
* @version 1.0
* @date 2015-01-21
*/
#include "stack.h"
/**
* @brief initialize the stack.
*
* @param[in,out] S stack struct pointer
*
*/
void InitStack(Stack* S)
{
assert(S != NULL);
S->top = NULL;
S->count = 0;
}
/**
* @brief clear the stack.
*
* @param[in,out] S stack struct pointer
*
*/
void ClearStack(Stack* S)
{
assert(S != NULL && S->count >= 0);
StackPtr new_node = S->top;
while (new_node) {
S->top = new_node->next;
free(new_node);
new_node = S->top;
}
S->count = 0;
}
/**
* @brief detect if the stack is empty.
*
* @param[in] S stack struct pointer
*
* @return return TRUE if empty, else return FALSE
*/
Status StackEmpty(Stack* S)
{
assert(S != NULL && S->count >= 0);
/// detect count value
if (S->count == 0)
return TRUE;
else
return FALSE;
}
/**
* @brief get stack length.
*
* @param[in] S stack struct pointer
*
* @return stack length
*/
CommonType StackLength(Stack* S)
{
assert(S != NULL && S->count >= 0);
return S->count;
}
/**
* @brief get top element from the stack.
*
* @param[in] S stack struct pointer
* @param[out] e the element
*
* @return return OK if success, else return ERROR
*/
Status GetTop(Stack* S, ElementType* e)
{
assert(S != NULL && e != NULL && S->count >= 0);
if (S->count == 0)
return ERROR;
/// get element from stack
*e = S->top->data;
return OK;
}
/**
* @brief push element to the stack.
*
* @param[in,out] S stack struct pointer
* @param[in] e the element to be insert
*
* @return return OK if success, else return ERROR
*/
Status Push(Stack* S, ElementType e)
{
assert(S != NULL && S->count >= 0);
StackPtr new_node;
if ((new_node = (StackPtr)malloc(sizeof(StackNode))) == NULL) {
assert(0);
exit(EXIT_FAILURE);
}
new_node->data = e;
new_node->next = S->top;
S->top = new_node;
S->count++;
return OK;
}
/**
* @brief pop element from the stack.
*
* @param[in,out] S stack struct pointer
* @param[out] e the element to be deleted
*
* @return return OK and set e if success, else return ERROR
*/
Status Pop(Stack* S, ElementType* e)
{
assert(S != NULL && e != NULL && S->count >= 0);
if (S->count == 0)
return ERROR;
StackPtr new_node = S->top;
*e = new_node->data;
S->top = new_node->next;
free(new_node);
S->count--;
return OK;
} 顺序栈和链栈对比：
顺序栈适用于数据元素个数的最大值可控的情况；
链栈适用于数据元素个数的最大值不可控的情况，因而外存放指针使内存开销增加；
入栈和出栈的时间复杂度都是O(1)。
五、实践——使用两个栈实现一个队列
参考文章：http://www.cnblogs.com/wanghui9072229/archive/2011/11/22/2259391.html
思想：保持两个栈底的元素在队列中属于相邻元素，利用针对某个栈的压入和弹出来实现队列的入队和出队。
实现：
入队：总是在从栈1进入，入队时间复杂度总是O(1)；
出队：若栈2有元素，则从栈2出去，此时时间复杂度为O(1)，大多数情况下是如此；若栈2为空栈且栈1非空，则将元素从栈1压入栈2，只保留栈1的栈底元素，最后将这个栈底元素弹出，此时时间复杂度是O(n)。
实现时需注意：
1.空栈时出队错误处理，满栈时入队错误处理。（比如栈1满不能入队，两栈均为空不能出队等情况）
2.调用栈的各个方法实现队列各个方法。
其他方案：队列所有元素总是位于某一个栈中，出队入队也是针对某个栈，把其中一个栈作为缓存区使用，非操作情况下总有一个栈保持为空栈。这种方案下，元素的整体移动和上面的方案相比，其移动次数较多，效率不如上面的方案。
算法C实现：
头文件 queue_by_stack.h（这里除了队列使用的数据结构和不同于普通队列外，方法实现的函数接口均一致）：
/**
* @file queue_by_stack.h
* @brief implement of a queue by two stacks.
* @author chenxilinsidney
* @version 1.0
* @date 2015-01-22
*/
#include "stack.h"
/// queue data structure by two stacks
typedef struct Queue {
Stack s1;
Stack s2;
}Queue;
/// queue methods
/// initialize queue
void InitQueue(Queue* Q);
/// clear queue
void ClearQueue(Queue* Q);
/// detect if queue is empty
Status QueueEmpty(Queue* Q);
/// get queue length
CommonType QueueLength(Queue* Q);
/// get head element from the queue
Status GetHead(Queue* Q, ElementType* e);
/// insert element to the queue
Status EnQueue(Queue* Q, ElementType e);
/// delete element from the queue
Status DeQueue(Queue* Q, ElementType* e);实现文件 queue_by_stack.c（队列方法内部调用栈的方法）：
/**
* @file queue_by_stack.c
* @brief queue method implements.
* The methods use to help debug the program.
* The queue use two stack.
* @author chenxilinsidney
* @version 1.0
* @date 2015-01-21
*/
#include "queue_by_stack.h"
/**
* @brief initialize the queue.
*
* @param[in,out] Q queue struct pointer
*
*/
void InitQueue(Queue* Q)
{
assert(Q != NULL);
InitStack(&Q->s1);
InitStack(&Q->s2);
}
/**
* @brief clear the queue.
*
* @param[in,out] Q queue struct pointer
*
*/
void ClearQueue(Queue* Q)
{
assert(Q != NULL);
ClearStack(&Q->s1);
ClearStack(&Q->s2);
}
/**
* @brief detect if the queue is empty.
*
* @param[in] Q queue struct pointer
*
* @return return TRUE if empty, else return FALQE
*/
Status QueueEmpty(Queue* Q)
{
assert(Q != NULL);
if (StackEmpty(&Q->s1) && StackEmpty(&Q->s2))
return TRUE;
else
return FALSE;
}
/**
* @brief get queue length.
*
* @param[in] Q queue struct pointer
*
* @return queue length
*/
CommonType QueueLength(Queue* Q)
{
assert(Q != NULL);
return StackLength(&Q->s1) + StackLength(&Q->s2);
}
/**
* @brief get head element from the queue.
*
* @param[in] Q queue struct pointer
* @param[out] e the element
*
* @return return OK if success, else return ERROR
*/
Status GetHead(Queue* Q, ElementType* e)
{
assert(Q != NULL && e != NULL);
if (!StackEmpty(&Q->s2)) {
GetTop(&Q->s2, e);
return OK;
} else if (!StackEmpty(&Q->s1)) {
while (Pop(&Q->s1, e)) {
Push(&Q->s2, *e);
}
return OK;
} else {
return ERROR;
}
}
/**
* @brief insert element to the queue.
*
* @param[in,out] Q queue struct pointer
* @param[in] e the element to be insert
*
* @return return OK if success, else return ERROR
*/
Status EnQueue(Queue* Q, ElementType e)
{
assert(Q != NULL);
return Push(&Q->s1, e);
}
/**
* @brief delete element from the queue.
*
* @param[in,out] Q queue struct pointer
* @param[out] e the element to be deleted
*
* @return return OK and set e if success, else return ERROR
*/
Status DeQueue(Queue* Q, ElementType* e)
{
assert(Q != NULL && e != NULL);
if (!StackEmpty(&Q->s2)) {
Pop(&Q->s2, e);
return OK;
} else if (!StackEmpty(&Q->s1)) {
CommonType keep_one = StackLength(&Q->s1) - 1;
while (keep_one--) {
Pop(&Q->s1, e);
Push(&Q->s2, *e);
}
Pop(&Q->s1, e);
return OK;
} else {
return ERROR;
}
} 六、总结
关于栈的知识点本身不多，主要是理解栈的先进后出的思想，并能够利用栈实现各种能与这种思想结合的算法，解决譬如递归、两个栈实现一个队列等问题。