【数据结构】限定性线性表——栈 （7000字超级详细 图文结合）C语言

目录

1 栈

1.1 栈的定义

1.2 栈的表示和实现

顺序栈

两栈共享技术（双端栈）

 链栈

多栈运算

1.3 栈的应用举例

1. 括号匹配问题

2. 表达式求值

1.4 栈与递归

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                                       为了自己的目标和追求，也希望带给更多的人帮助。

1 栈

1.1 栈的定义

栈作为一种限定性线性表，是将线性表的插入和删除运算限制为仅在表的一端进行。通常将表中允许进行插入、删除操作的一端称为栈顶 (Top)，表的另一端被称为栈底 (Bottom)。当栈中没有元素时称为空栈。栈的插入操作被形象地称为进栈或入栈，删除操作称为出栈或退栈。

 进栈、出栈图例

       根据栈定义，每次进栈的元素都被放在原栈顶元素之上而成为新的栈顶，而每次出栈的总是当前栈中“最新”的元素，即最后进栈的元素。因此，栈又称为后进先出的线性表。简称为LIFO表。如下图所示：

​

栈的抽象数据类型定义

数据元素：可以是任意类型的数据，但必须属于同一个数据对象。

关系：栈中数据元素之间是线性关系

基本操作：

1.InitStack（S）    2. ClearStack（S） 3. IsEmpty（S）      4. IsFull（S）  

 5. Push（S，x）   6. Pop（S，x）        7. GetTop（S，x）

1.2 栈的表示和实现

栈在计算机中主要有两种基本的存储结构：顺序存储结构和链式存储结构。

顺序存储的栈为顺序栈； 链式存储的栈为链栈。

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顺序栈

 顺序栈是用顺序存储结构实现的栈，即利用一组地址连续的存储单元依次存放自栈底到栈顶的数据元素，同时由于栈的操作的特殊性，还必须附设一个位置指针top（栈顶指针）来动态地指示栈顶元素在顺序栈中的位置。通常以top = -1表示空栈。

 栈的顺序存储结构定义如下 ：

#define Stack_Size 50
typedef struct
{
StackElementType  elem[Stack_Size];   /*用来存放栈中元素的一维数组*/
int  top;          /*用来存放栈顶元素的下标，top为-1表示空栈*/
}SeqStack; 

 顺序栈中的进栈和出栈图例：

​

顺序栈基本操作的实现

 1）初始化

void  InitStack(SeqStack *S)
{/*构造一个空栈S*/
  S->top= -1;
}

 2）进栈

int Push(SeqStack * S, StackElementType x)
{
if(S->top== Stack_Size)  return(FALSE);  /*栈已满*/
S->top++;
S->elem[S->top]=x;
return(TRUE);
}

3）出栈

int Pop(SeqStack * S, StackElementType *x)
{    if(S->top==-1)     /*栈为空*/
     return(FALSE);
      else
         {*x= S->elem[S->top];
             S->top--;    /* 修改栈顶指针 */
             return(TRUE);
          }
}

4） 取栈顶元素

int GetTop（SeqStack S, StackElementType *x）
{  /* 将栈S的栈顶元素弹出，放到x所指的存储空间中，但栈顶指针保持不变 */
	if(S->top==-1)  /*栈为空*/
            return(FALSE);
	else
           {*x = S->elem[S->top];
               return(TRUE);
            }	
}

[注意]：

在实现GetTop操作时，也可将参数说明SeqStack *S 改为SeqStack S，也就是将传地址改为传值方式。传值比传地址容易理解，但传地址比传值更节省时间、空间。

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两栈共享技术（双端栈）

主要利用了栈“栈底位置不变，而栈顶位置动态变化”的特性。首先为两个栈申请一个共享的一维数组空间S[M]，将两个栈的栈底分别放在一维数组的两端，分别是0，M-1。

共享栈的空间示意为：top[0]和top[1]分别为两个栈顶指示器 。

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 两栈共享的数据结构定义

#define M 100
typedef struct
{
 StackElementType Stack[M];
 StackElementType top[2];  /*top[0]和top[1]分别为两个栈顶指示器*/
}DqStack;

两栈共享的初始化操作算法

void InitStack(DqStack *S)
{
	S->top[0]=-1;
	S->top[1]=M;
}

 两栈共享的进栈操作算法

int Push(DqStack *S, StackElementType x, int i)
{  /*把数据元素x压入i号堆栈*/ 	
      if(S->top[0]+1==S->top[1])      /*栈已满*/
        return(FALSE);
	switch(i)
	{case 0:S->top[0]++; S->Stack[S->top[0]]=x; break;
	  case 1: S->top[1]--; S->Stack[S->top[1]]=x; break;
	  default: return(FALSE)         /*参数错误*/
 	}
	return(TRUE);
}

 两栈共享的出栈操作算法

int Pop(DqStack *S, StackElementType *x, int i)
{ /* 从i 号堆栈中弹出栈顶元素并送到x中 */ 
  switch(i)
    {case 0: if(S->top[0]==-1)  return(FALSE);
                 *x=S->Stack[S->top[0]]; S->top[0]--; break;
      case 1:if(S->top[1]==M)  return(FALSE);
	        *x=S->Stack[S->top[1]];S->top[1]++;break;		default: return(FALSE);
	}
	return(TRUE);
}

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 链栈

链栈是采用链表作为存储结构实现的栈。为便于操作，采用带头结点的单链表实现栈。由于栈的插入和删除操作仅限制在表头位置进行，所以链表的表头指针就作为栈顶指针。

链栈的示意图为：

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注意：链栈在使用完毕时，应该释放其空间。

链栈结构的用C语言定义

typedef struct node
{
  StackElementType  data;
  struct node *next;
}LinkStackNode;
typedef  LinkStackNode  *LinkStack;

 链栈的进栈操作

int Push(LinkStack top, StackElementType x)
/* 将数据元素x压入栈top中 */  
{  LinkStackNode * temp;
   temp=(LinkStackNode * )malloc(sizeof(LinkStackNode));
   if(temp==NULL)  return(FALSE);   /* 申请空间失败 */
	temp->data=x; temp->next=top->next;
	top->next=temp;   /* 修改当前栈顶指针 */ 
return(TRUE);
}

链栈的出栈操作

int Pop(LinkStack top, StackElementType *x)
{  /* 将栈top的栈顶元素弹出，放到x所指的存储空间中 */
    LinkStackNode * temp; temp=top->next;
    if(temp==NULL)  /*栈为空*/
	return(FALSE);
    top->next=temp->next; *x=temp->data;
     free(temp);   /* 释放存储空间 */
     return(TRUE);
}

多栈运算

 将多个链栈的栈顶指针放在一个一维指针数组中来统一管理，从而实现同时管理和使用多个栈。

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 用c语言定义

#define  M  10   /*M个链栈*/
typedef struct node
{
    StackElementType  data;
    struct node       *next;
}LinkStackNode,  *LinkStack;
  LinkStack  top[M]; 

(1)第i号栈的进栈操作

int  pushi(LinkStack  top[M],  int  i,  StackElementType  x)
{/*将元素x进入第i号链栈*/
LinkStackNode  *temp;
temp=(LinkStackNode * )malloc(sizeof(LinkStackNode));
	if(temp==NULL)  return(FALSE);   /* 申请空间失败 */
	temp->data=x;
	temp->next=top[i]->next;
    top[i]->next=temp;   /* 修改当前栈顶指针 */ 
  return(TRUE);
} 

(2) 第i号栈元素的出栈操作

int Pop(LinkStack  top[M],  int  i,  StackElementType  *x)
{  /* 将栈top的栈顶元素弹出，放到x所指的存储空间中 */
     LinkStackNode  *temp;
     temp=top[i]->next;
     if(temp==NULL)  /*第i号栈为空栈*/
	return(FALSE);
    top[i]->next=temp->next;
    *x=temp->data;
    free(temp);   /* 释放存储空间 */
  return(TRUE);
   } 

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1.3 栈的应用举例

1. 括号匹配问题

思想：在检验算法中设置一个栈，若读入的是左括号，则直接入栈，等待相匹配的同类右括号；若读入的是右括号，且与当前栈顶的左括号同类型，则二者匹配，将栈顶的左括号出栈，否则属于不合法的情况。另外，如果输入序列已读尽，而栈中仍有等待匹配的左括号，或者读入了一个右括号，而栈中已无等待匹配的左括号，均属不合法的情况。当输入序列和栈同时变为空时，说明所有括号完全匹配。

void BracketMatch(char *str)
{Stack S; int i; char ch;
InitStack(&S);
For(i=0; str[i]!='\0'; i++) 
{switch(str[i])
      {case '(':
case '[':
case '{':
               Push(&S,str[i]); break;
       case ')':
       case ']':
       case '}':
if(IsEmpty(S))
	 { printf("\n右括号多余!");  return;}
else
{GetTop (&S,&ch);
if(Match(ch,str[i])) Pop(&S,&ch); 
else
{ printf("\n对应的左右括号不同类!");  return;}
}
}/*switch*/
}/*for*/
if(IsEmpty(S))
	printf("\n括号匹配!");
else
	printf("\n左括号多余!");
}

2. 表达式求值

1) 无括号算术表达式求值

无括号算术表达式的处理过程

2) 算术表达式处理规则

（1）规定优先级表；

(2) 设置两个栈：OVS(运算数栈)和OPTR(运算符栈)；

(3) 自左向右扫描，遇操作符则与OPTR栈顶优先级比较：当前操作符>OPTR栈顶则进OPTR栈；当前操作符≤ OPTR栈顶，OVS栈顶、次顶和OPTR栈顶，退栈形成运算T（i）， T（i）进OVS栈。

例：实现A/B↑C+D*E#的运算过程时栈区变化情况

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 3) 带括号算术表达式

实现算符优先算法时需要使用两个工作栈：一个称作运算符栈operator；另一个称作操作数栈operand。 算法的基本过程如下：

A.初始化操作数栈operand和运算符栈operator，并将表达式起始符“#”压入运算符栈；

B.读入表达式中的每个字符，若是操作数则直接进入操作数栈operand，若是运算符，则与运算符栈operator的栈顶运算符进行优先权比较，并做如下处理：

(1) 若栈顶运算符的优先级低于刚读入的运算符，则让刚读入的运算符进operator栈；    

(2) 若栈顶运算符的优先级高于刚读入的运算符，则将栈顶运算符退栈，送入θ，同时将操作数栈operand退栈两次，得到两个操作数a、b，对a、b进行θ运算后，将运算结果作为中间结果推入operand栈；      

(3) 若栈顶运算符的优先级与刚读入的运算符的优先级相同，说明左右括号相遇，只需将栈顶运算符（左括号）退栈即可。

当operator栈的栈顶元素和当前读入的字符均为“#”时，说明表达式起始符“#”与表达式结束符“#”相遇，整个表达式求值完毕。

1.4 栈与递归的实现

递归 :在定义自身的同时又出现了对自身的调用。

直接递归函数:如果一个函数在其定义体内直接调用自己，则称直接递归函数。

间接递归函数：如果一个函数经过一系列的中间调用语句，通过其它函数间接调用自己，则称间接递归函数。

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1.具有递归特性的问题

1）递归定义的数学函数

如二阶Fibonacci数列：

​

 Ackerman函数可用一个简单的C语言函数描述:

int ack(int m,int n)
{
 if(m==0) return n+1;
 else if (n==0) return ack(m-1,1);
 else return ack(m-1, ack(m,n-1));
  } 

2）递归数据结构的处理

一些数据结构，如广义表、二叉树、树等结构其本身均具有固有的递归特性，因此可以自然地采用递归法进行处理。

3）递归求解方法

 许多问题的求解过程可以用递归分解的方法描述，一个典型的例子是著名的汉诺塔问题（hanoi）问题。    

n阶Hanoi塔问题：假设有三个分别命名为X,Y和Z的塔座，在塔座X上插有n个直径大小各不相同、从小到大编号为1，2,... ，n的圆盘。现要求将塔座X上的n个圆盘移至塔座Z上，并仍按同样顺序叠排。

圆盘移动时必须遵循下列规则：

（1） 每次只能移动一个圆盘；  

（2） 圆盘可以插在X,Y和Z中的任何一个塔座上；  

（3） 任何时刻都不能将一个较大的圆盘压在较小的圆盘之上。

算法思想：

求解n阶Hanoi塔问题的递归算法

void hanoi(int n, char x, char y, char z)
/* 将塔座X上从上到下编号为1至n，且按直径由小到大叠放的n个圆盘，按规则搬到塔座Z上，Y用作辅助塔座。*/
{  if(n==1)
   move(x,1,z);         /*将编号为1的圆盘从x移动z*/
  else
    {
    hanoi(n-1,x,z,y);    /* 将X上编号为1至n-1的圆盘移到y,z作辅助塔 */
    move(x,n,z);         /* 将编号为n的圆盘从x移到z */
    hanoi(n-1, y,x ,z);  /* 将y上编号为1至n-1的圆盘移到z，x作辅助塔 */ 
    }
  } 

下面给出三个盘子搬动时hanoi(3, A, B , C) 的递归调用过程

递归方法的优点 ：

 

设计递归算法的方法：

递归算法就是在算法中直接或间接调用算法本身的算法。

 使用递归算法的前提有两个：

⑴原问题可以层层分解为类似的的子问题，且子问题比原问题的规模更小。

⑵规模最小的子问题具有直接解。

设计递归算法的方法

⑴寻找分解方法

⑵设计递归出口

递归过程的实现

递归进层（i→i +1层）系统需要做三件事：

⑴ 保留本层参数与返回地址；  

⑵ 为被调用函数的局部变量分配存储区，给下层参数赋值；  

⑶ 将程序转移到被调函数的入口。

递归退层（i←i +1层）系统也应完成三件工作：

⑴ 保存被调函数的计算结果；

⑵ 释放被调函数的数据区，恢复上层参数；  

⑶ 依照被调函数保存的返回地址，将控制转移回调用函数。

递归算法到非递归算法的转换

递归算法具有两个特性：

(1) 递归算法是一种分而治之、把复杂问题分解为简单问题的求解问题方法，对求解某些复杂问题，递归算法的分析方法是有效的。

（2）递归算法的效率较低。

1）消除递归的原因：

第一：有利于提高算法时空性能

第二：无应用递归语句的语言设施环境条件

第三：递归算法是一次执行完

消除递归方法有两类

一类是简单递归问题的转换，对于尾递归和单向递归的算法，可用循环结构的算法替代。

另一类是基于栈的方式，即将递归中隐含的栈机制转化为由用户直接控制的明显的栈。

2) 简单递归的消除

单向递归

单向递归是指递归函数中虽然有一处以上的递归调用语句，但各次递归调用语句的参数只和主调用函数有关，相互之间参数无关，并且这些递归调用语句处于算法的最后。

例如计算斐波那契数列的递归算法

 计算斐波那契数列的递归算法如下：

Fib(int n)
     {
       if（n= =0||n= =1） return n;        /* 递归出口 */
            else  return Fib(n-1)+Fib(n-2);      /* 递归调用 */ 
          }

计算斐波那契数列的非递归算法：

int Fib(int n):
{ int  x, y, z;
if（n= =0||n= =1）return n;    /*计算 Fib (0)或Fib(1) */      
  else { 
x=0, y=1;             /* x= Fib (0)  y= Fib (1) */
for ( i=2; i<= n; i++ )
{ z=y;      /*  z= Fib (i-1)  */
        y=x+y;    /*  y= Fib (i-1)+ Fib (i-2)  求Fib (i) */
        x=z;      /*  x= Fib (i-1) */
 }
 return y ;
        }
     } 

尾递归

尾递归是指递归调用语句只有一个，而且是处于算法的最后，尾递归是单向递归的特例。

求n!非递归算法 ：

long Fact (int n)
{
  int fac=1;
     for(int i=1;i<=n;i++)   /*依次计算f(1)… f(n)*/
     fac=fac* i;        /* f(i)= f(i-1)*i */
         return fac;
           }