【数据结构】栈的实现（C语言）

文章目录

1.栈

1.1 栈的定义

1.2 C语言实现栈

1.2.1接口函数

1.2.2栈的创建

1.2.3栈的初始化 

1.2.4栈的销毁

1.2.5压栈

1.2.6出栈

1.2.7判断栈是否为空

1.2.8取栈顶元素

1.2.9 栈有多少个数据

 1.3 C语言实现栈的具体代码

头文件stack.h

接口函数stack.c

测试函数test.c

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1.栈

1.1栈的定义

        栈（stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表。限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素；从一个栈删除元素又称作出栈或退栈，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。简单地来说，栈内存储的数据，具有“后进先出”的特性。

          栈就类似于客栈，客栈是存储货物或供旅客住宿的地方,可引申为仓库、中转站，所以引入到计算机领域里，就是指数据暂时存储的地方。如下图，原来的栈空间有a1、a2、a3、a4这四个元素，然后插入元素a5，即压栈；再进行删除元素，即出栈。

1.2C语言实现栈

        在这里就面临一个选择，由于栈是一个受限制的线性表，而在学栈之前，已经学过了顺序表和链表，那么究竟是选择用顺序表实现栈还是用链表实现栈呢？

        在这里不妨设想一下，如果用链表实现栈，假设链表的表头是栈底，那么链表尾部就是栈顶，一方面，每次压栈就是尾插操作，要遍历链表；另一方面，每次出栈的时候，都要找到链表倒数第2个，将其数据与置为空，也要遍历链表，还要找倒数第2个，很麻烦。 

        而如果用顺序表实现栈，顺序表头作为栈底，表尾作为栈顶，那么每次压栈，只需要尾元素的后面再加一个元素就行，然后top++。用顺序表无疑更加方便。如下的压栈和出栈操作，data指向栈的空间、top代表栈里面已经存放的元素个数、capacity代表栈的容量。

1.2.1接口函数

        由于并不是无哨兵位的链表，所以并不需要传二级指针，只需要传一级指针即可。

        而对栈进行插入元素只有一个接口，所以顺序表里面检查容量的接口，在这里就不特意写成一个函数了，直接在压栈接口里面写即可。

1.2.2栈的创建

        如下，和顺序表的创建大同小异，也是STDataType类型的指针、已有数据个数、容量。

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* data;
	int top;      //已有的数据个数
	int capacity; //容量
}ST;

1.2.3栈的初始化 

        这里没啥问题。

void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->data = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}

1.2.4栈的销毁

        和初始化配套，也没啥大问题。

void StackDestory(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->data);
	ps->data = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}

1.2.5压栈

        压栈前要进行检查容量的操作，如果栈里面，实际存储元素个数和容量相等，意味着要扩容。扩容扩的是ps->data，因为data是指向存储空间的指针。扩容分为两种情况，首先是该栈为空，那么分配可以存储4个STDataType类型数据的空间；如果不为空，那么容量增加一倍。在这里定义newcapacity，即新的容量，用到了三目运算符。

        至于在这里为什么要用一个新指针tmp来接收realloc的内存，然后再把ps->a指向这块空间，在(102条消息) 【动态内存管理】malloc，calloc，realloc的使用方法以及常见错误_中的realloc部分也有详细解释。

        然后栈内下标为ps->top（即最后一个元素的后一个空间）的空间插入新元素，ps->top++。在这里，假设有ps->top为n，那么栈内有n个元素，但是它们的下标是0到n-1，所以进行压栈操作的时候，数据应该放在下标为n的位置，正好是下标为ps->top处的空间。

void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;

		STDataType* temp = (STDataType*)realloc(ps->data,newcapacity*sizeof(STDataType));
		if (temp == NULL)
		{
			printf("realloc fail!\n");
			exit(-1);
		}
		ps->data = temp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
	ps->data[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

1.2.6出栈

        相较压栈，出栈就很容易，只要排除不是空栈的情况（用assert），然后已经存放的个数减一即可。至于在这里为什么不把最后一个元素置为0，因为realloc开辟了空间，会把开辟的空间里的数据置为随机值，所以这里是否置为0没有什么太大意义。

void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);// ps->top <= 0 就报错
	ps->top--;
}

1.2.7判断栈是否为空

        ps->top为0，则存放数据个数为0，为空，返回1。这里栈为空，为什么不返回“0“是因为，想象一下平常说话，“栈为空吗？”  “为空！”  这里为空则是肯定的意思，这样子理解。

bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	if (ps->top == 0)
	{
		return 1;
	}
	else
		return 0;
}

1.2.8取栈顶元素

        返回第ps->top-1下标的位置即可。当然也要排除栈为空的情况。

STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->data[ps->top-1];
}

1.2.9 栈有多少个数据

        这个也比较容易，ps->top就代表的有多少个数据，直接返回它就行。

int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}

 1.3C语言实现栈的具体代码

头文件stack.h

#pragma once
#include
#include
#include
#include
#define N 10

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* data;
	int top;      //已有的数据个数
	int capacity; //容量
}ST;

//初始化
void StackInit(ST* ps);
//销毁栈
void StackDestory(ST* ps);
//压栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
//出栈
void StackPop(ST* ps);
//找到栈顶数据
STDataType StackTop(ST* ps);
//栈的里数据的多少
int StackSize(ST* ps);
//栈是否为空，1位空，0为非空
bool StackEmpty(ST* ps);

接口函数stack.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"stack.h"


void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->data = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}
void StackDestory(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->data);
	ps->data = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;

		STDataType* temp = (STDataType*)realloc(ps->data,newcapacity*sizeof(STDataType));
		if (temp == NULL)
		{
			printf("realloc fail!\n");
			exit(-1);
		}
		ps->data = temp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
	ps->data[ps->top] = x;
	ps->top++;
}
void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	ps->top--;
}

STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->data[ps->top-1];
}
int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}
bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	if (ps->top == 0)
	{
		return 1;
	}
	else
		return 0;
}

测试函数test.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"stack.h"
void Test1()
{
	ST a;
	StackInit(&a);
	StackPush(&a, 1);
	StackPush(&a, 2);
	StackPush(&a, 3);
	StackPush(&a, 4);
	printf("%d ", StackTop(&a));
	StackPop(&a);
	printf("%d ", StackTop(&a));
	StackPop(&a);

	StackPush(&a, 5);
	StackPush(&a, 6);
	while (!StackEmpty(&a))
	{
		printf("%d ", StackTop(&a));
		StackPop(&a);
	}
}


int main()
{
	Test1();

	return 0;
}