详解堆栈的几种实现方法——C语言版

　　基本的抽象数据类型（ADT）是编写C程序必要的过程，这类ADT有链表、堆栈、队列和树等，本文主要讲解下堆栈的几种实现方法以及他们的优缺点。

　　堆栈（stack）的显著特点是后进先出（Last-In First-Out, LIFO），其实现的方法有三种可选方案：静态数组、动态分配的数组、动态分配的链式结构。

　　静态数组：特点是要求结构的长度固定，而且长度在编译时候就得确定。其优点是结构简单，实现起来方便而不容易出错。而缺点就是不够灵活以及固定长度不容易控制，适用于知道明确长度的场合。

　　动态数组：特点是长度可以在运行时候才确定以及可以更改原来数组的长度。优点是灵活，缺点是由此会增加程序的复杂性。

　　链式结构：特点是无长度上线，需要的时候再申请分配内存空间，可最大程度上实现灵活性。缺点是链式结构的链接字段需要消耗一定的内存，在链式结构中访问一个特定元素的效率不如数组。

　　首先先确定一个堆栈接口的头文件，里面包含了各个方案下的函数原型，放在一起是为了实现程序的模块化以及便于修改。然后再接着分别介绍各个方案的具体实施方法。

　　堆栈接口stack.h文件代码：

/*
** 堆栈模块的接口 stack.h
*/
#include<stdlib.h>

#define STACK_TYPE int /* 堆栈所存储的值的数据类型 */

/*
** 函数原型：create_stack
** 创建堆栈，参数指定堆栈可以保存多少个元素。
** 注意：此函数只适用于动态分配数组形式的堆栈。
*/
void create_stack(size_t size);

/*
** 函数原型：destroy_stack
** 销毁一个堆栈，释放堆栈所适用的内存。
** 注意：此函数只适用于动态分配数组和链式结构的堆栈。
*/
void destroy_stack(void);

/*
** 函数原型：push
** 将一个新值压入堆栈中，参数是被压入的值。
*/
void push(STACK_TYPE value);

/*
** 函数原型：pop
** 弹出堆栈中栈顶的一个值，并丢弃。
*/
void pop(void);

/*
** 函数原型：top
** 返回堆栈顶部元素的值，但不改变堆栈结构。
*/
STACK_TYPE top(void);

/*
** 函数原型：is_empty
** 如果堆栈为空，返回TRUE,否则返回FALSE。
*/
int is_empty(void);

/*
** 函数原型：is_full
** 如果堆栈为满，返回TRUE,否则返回FALSE。
*/
int is_full(void);

　　一、静态数组堆栈

　　在静态数组堆栈中，STACK_SIZE表示堆栈所能存储的元素的最大值，用top_element作为数组下标来表示堆栈里面的元素，当top_element == -1的时候表示堆栈为空；当top_element == STACK_SIZE - 1的时候表示堆栈为满。push的时候top_element加1，top_element == 0时表示第一个堆栈元素；pop的时候top_element减1。

　　a_stack.c 源代码如下：

/*
** 
** 静态数组实现堆栈程序 a_stack.c ，数组长度由#define确定
*/

#include"stack.h"
#include<assert.h>
#include<stdio.h>

#define STACK_SIZE 100 /* 堆栈最大容纳元素数量 */

/*
** 存储堆栈中的数组和一个指向堆栈顶部元素的指针
*/
static STACK_TYPE stack[STACK_SIZE];
static int top_element = -1;

/* push */
void push(STACK_TYPE value)
{
	assert(!is_full()); /* 压入堆栈之前先判断是否堆栈已满*/
	top_element += 1;
	stack[top_element] = value;
}

/* pop */
void pop(void)
{
	assert(!is_empty()); /* 弹出堆栈之前先判断是否堆栈已空 */
	top_element -= 1;
}

/* top */
STACK_TYPE top(void)
{
	assert(!is_empty());
	return stack[top_element];
}

/* is_empty */
int is_empty(void)
{
	return top_element == -1;
}

/* is_full */
int is_full(void)
{
	return top_element == STACK_SIZE - 1;
}

/*
** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。
*/
void print(void)
{
	int i;
	i = top_element;
	printf("打印出静态数组堆栈里面的值: ");
	if(i == -1)
		printf("这是个空堆栈\n");
	while(i!= -1)
		printf("%d ",stack[i--]);
	printf("\n");
}
int main(void)
{
	print();
	push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);
	push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);
	printf("push压入数值后：\n");
	print();
	printf("\n");
	pop();
	pop();
	printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");
	print();
	printf("\n");
	printf("top()调用出来的值: %d\n",top());
	return 1;
}

　　结果如下图：

　　二、动态数组堆栈

　　头文件还是用stack.h，改动的并不是很多，增加了stack_size变量取代STACK_SIZE来保存堆栈的长度，数组由一个指针来代替，在全局变量下缺省为0。

　　create_stack函数首先检查堆栈是否已经创建，然后才分配所需数量的内存并检查分配是否成功。destroy_stack函数首先检查堆栈是否存在，已经释放内存之后把长度和指针变量重新设置为零。is_empty 和 is_full 函数中添加了一条断言，防止任何堆栈函数在堆栈被创建之前就被调用。

　　d_stack.c源代码如下：

/*
** 动态分配数组实现的堆栈程序 d_stack.c
** 堆栈的长度在创建堆栈的函数被调用时候给出，该函数必须在任何其他操作堆栈的函数被调用之前条用。
*/
#include"stack.h"
#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<assert.h>

/*
** 用于存储堆栈元素的数组和指向堆栈顶部元素的指针
*/
static STACK_TYPE *stack;
static int  	  stack_size;
static int		  top_element = -1;

/* create_stack */
void create_stack(size_t size)
{
	assert(stack_size == 0);
	stack_size = size;
	stack = (STACK_TYPE *)malloc(stack_size * sizeof(STACK_TYPE));
	if(stack == NULL)
		perror("malloc分配失败");
}

/* destroy */
void destroy_stack(void)
{
	assert(stack_size > 0);
	stack_size = 0;
	free(stack);
	stack = NULL;
}

/* push */
void push(STACK_TYPE value)
{
	assert(!is_full());
	top_element += 1;
	stack[top_element] = value;
}

/* pop */
void pop(void)
{
	assert(!is_empty());
	top_element -= 1;
}

/* top */
STACK_TYPE top(void)
{
	assert(!is_empty());
	return stack[top_element];
}

/* is_empty */
int is_empty(void)
{
	assert(stack_size > 0);
	return top_element == -1;
}

/* is_full */
int is_full(void)
{
	assert(stack_size > 0);
	return top_element == stack_size - 1;
}


/*
** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。
*/
void print(void)
{
	int i;
	i = top_element;
	printf("打印出动态数组堆栈里面的值: ");
	if(i == -1)
		printf("这是个空堆栈\n");
	while(i!= -1)
		printf("%d ",stack[i--]);
	printf("\n");
}
int main(void)
{
	create_stack(50);
	print();
	push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);
	push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);
	printf("push压入数值后：\n");
	print();
	printf("\n");
	pop();
	pop();
	printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");
	print();
	printf("\n");
	printf("top()调用出来的值: %d\n",top());
	destroy_stack();
	return 1;
}

　　结果如下图：

　　三、链式堆栈

　　由于只有堆栈顶部元素才可以被访问，因此适用单链表可以很好实现链式堆栈，而且无长度限制。把一个元素压入堆栈是通过在链表头部添加一个元素实现。弹出一个元素是通过删除链表头部第一个元素实现。由于没有长度限制，故不需要create_stack函数，需要destroy_stack进行释放内存以避免内存泄漏。

　　头文件stack.h 不变，l_stack.c 源代码如下：

/*
** 单链表实现堆栈，没有长度限制
*/
#include"stack.h"
#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<assert.h>

#define FALSE 0

/*
** 定义一个结构以存储堆栈元素。
*/
typedef struct STACK_NODE
{
	STACK_TYPE value;
	struct STACK_NODE *next;
} StackNode;

/* 指向堆栈中第一个节点的指针 */
static StackNode *stack;

/* create_stack */
void create_stack(size_t size)
{}

/* destroy_stack */
void destroy_stack(void)
{
	while(!is_empty())
		pop();	/* 逐个弹出元素，逐个释放节点内存 */
}

/* push */
void push(STACK_TYPE value)
{
	StackNode *new_node;
	new_node = (StackNode *)malloc(sizeof(StackNode));
	if(new_node == NULL)
		perror("malloc fail");
	new_node->value = value;
	new_node->next = stack;	/* 新元素插入链表头部 */
	stack = new_node;		/* stack 重新指向链表头部 */
}

/* pop */
void pop(void)
{
	StackNode *first_node;
	
	assert(!is_empty());
	first_node = stack;
	stack = first_node->next;
	free(first_node);
}

/* top */
STACK_TYPE top(void)
{
	assert(!is_empty());
	return stack->value;
}

/* is_empty */
int is_empty(void)
{
	return stack == NULL;
}

/* is_full */
int is_full(void)
{
	return FALSE;
}


/*
** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。
*/
void print(void)
{
	StackNode *p_node;
	p_node = stack;
	printf("打印出链式堆栈里面的值: ");
	if(p_node == NULL)
		printf("堆栈为空\n");
	while(p_node != NULL)
	{
		printf("%d ", p_node->value);
		p_node = p_node->next;
	}
	printf("\n");
}
int main(void)
{
	print();
	push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);
	push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);
	printf("push压入数值后：\n");
	print();
	printf("\n");
	pop();
	pop();
	printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");
	print();
	printf("\n");
	printf("top()调用出来的值: %d\n",top());
	destroy_stack();
	return 1;
}

　　结果如下图：

注：本文部分程序参考《C与指针》这本书

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作者：Dream Fly