【数据结构】C语言实现栈(详细解读)

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⛳⛳本篇内容:c语言数据结构–C语言实现栈

目录

什么是栈

        栈的概念及结构

栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。 进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。 压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在 栈顶。 出栈：栈的删除操作叫做出栈。 出数据也在栈顶。 栈的结构:

实现栈的方式

实现栈的方式有两种: 顺序表和链表

链表的优缺点:

优点:

        1、任意位置插入删除O(1)

        2、按需申请释放空间

缺点:

        1、不支持下标随机访问

        2、CPU高速缓存命中率会更低

        先说链表实现栈的缺点:

1. 额外内存开销：链表实现的栈需要为每个节点分配内存空间来存储数据和指针。相比于数组实现的栈，链表实现需要额外的内存开销来维护节点之间的指针关系，可能导致内存碎片化。

2. 动态内存分配：链表实现的栈需要通过动态内存分配来创建和释放节点。这涉及到频繁的内存分配和释放操作，可能导致内存管理的复杂性和性能开销。在某些情况下，可能会出现内存分配失败或内存泄漏的问题。

3. 指针操作开销：链表实现的栈需要通过指针进行节点之间的连接操作。这包括插入和删除节点时的指针修改，可能涉及到多个指针的更新。相比于数组实现的栈，链表实现的栈需要更多的指针操作，可能会带来一定的性能开销。

4. 随机访问的限制：链表是一种顺序访问的数据结构，无法像数组一样通过索引进行随机访问。如果需要在栈中进行随机访问元素，链表实现的栈可能不太适合，而数组实现的栈更具优势。

顺序表的优缺点:

优点:1、尾插尾删效率不错。

        2、下标的随机访问。

        3、CPU高速缓存命中率会更高

缺点:

        1、前面部分插入删除数据，效率是O(N)，需要挪动数据。

        2、空间不够，需要扩容。a、扩容是需要付出代价的b、一般还会伴随空间浪费。

        顺序表实现栈的优点

1. 内存连续性：顺序表在内存中是连续存储的，相比于链表的动态内存分配，顺序表的元素在物理上更加紧凑。这样可以减少内存碎片化，提高内存的利用效率。

2. 随机访问：顺序表可以通过索引直接访问栈中的元素，具有随机访问的能力。这意味着可以快速访问栈中任意位置的元素，而不需要遍历整个链表。

3. 操作简单高效：顺序表的插入和删除操作只涉及元素的移动，不需要额外的指针操作和动态内存分配。这使得操作相对简单高效，并且在某些情况下比链表实现更快。

4. 空间效率：相比于链表实现，顺序表不需要额外的指针来维护节点之间的连接关系，因此可以节省一定的空间开销。只需要存储元素本身和栈顶指针即可。

综上所述,用顺序表实现栈更好。

栈的实现

a.头文件的包含

#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdio.h>

 b.栈的定义

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;//栈顶
	int capacity;//栈的容量
}ST;

c.接口函数     

// 初始化栈
void STInit(ST* pst); 

// 入栈
void STPush(ST* pst, STDataType data); 

// 出栈
void STPop(ST* pst); 

// 获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* pst); 

// 获取栈中有效元素个数
int STSize(ST* pst); 

// 检测栈是否为空，如果为空返回true,如果不为空返回false
bool STEmpty(ST* pst); 

// 销毁栈
void STDestroy(ST* pst);

接口函数的实现

1.栈的初始化

        pst->top表示栈的顶部指针，通常情况下，它指向栈顶元素的下一个位置,而不是指向当前栈顶元素。通过 pst->top 可以确定栈中元素的个数,打印的时候记得将 top – 1。

void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);//防止敲代码的人传过来是NULL指针
	
    pst->a = NULL;//栈底
	
    //top不是数组下标,不能理解成数组下标,因为栈只能拿到栈顶的元素，而数组可以随机访问拿到中间元素
    //pst->top=-1;//指向栈顶元素
	
    pst->top = 0;//指向栈顶元素的下一个位置
	pst->capacity = 0;

}

分别解释一下各自的含义: 

1.  pst 是指向栈的指针，指向栈的首节点或头节点。
2. -> 是一个成员访问运算符，用于通过指针访问结构体或类的成员

• pst ->a 是指向存储栈元素的数组的指针。栈中的元素通常被存储在数组中，通过 pst->a 可以访问和操作该数组。在 STInit 函数中， pst->a 被设置为 NULL，表示栈底为空，即栈中没有任何元素。

• pst->capacity 表示栈的容量，即栈可以容纳的最大元素数量。当栈中元素的数量达到 pst->capacity 时，栈被认为已满，无法再进行入栈操作。在初始化时，pst->capacity 的值通常被设置为 0，表示栈的初始容量为 0。

• pst->top 表示栈顶指针，它指向当前栈顶元素的下一个位置。在栈为空时，pst->top 的值为 0，表示栈底。随着元素的入栈和出栈操作，pst->top 的值会相应地增加或减少，指向栈中下一个元素的位置。

2.销毁栈

为了防止野指针的出现，栈销毁后记得将指针置空。

void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
}

3.入栈

三元运算符

condition ? value1: value2 

它的含义是，如果条件condition为真（非0），则整个表达式的值为value1；如果条件为假（0），则整个表达式的值为value2

解析:

int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;

这段代码的执行顺序如下：

1. 首先，评估条件pst->capacity == 0 这将检查  pst 指针所指向的结构体中的 capacity 成员是否等于 0
2. 如果条件为真（pst->capacity 等于 0），则表达式的值为 4，将其赋给 newCapacity  
3. 如果条件为假（pst->capacity不等于 0），则表达式的值为pst->capacity * 2，将其赋给 newCapacity

realloc函数:【C进阶】– 动态内存管理_Dream_Chaser～的博客-CSDN博客

动图:

函数代码:

void STPush(ST* pst,STDataType x)
{
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;

		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newCapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}
		pst->a = tmp;//返回的是realloc出来的内存块的地址
		pst->capacity = newCapacity;//把扩容后的空间大小赋值给栈容量
	}
	pst->a[pst->top] = x;//先放值
	pst->top++;//再++
}

【注意事项】

1️⃣检查栈的顶部指针 top 是否等于栈的容量 capacity 。如果这两个值相等，那么说明栈已经满了，无法再添加新的元素。

 2️⃣接着判断此时栈的容量是否是0，若是0，则把4赋值给newcapacity作为新的栈容量。此后若栈满了，则把此时栈满时的容量 * 2进行扩容，赋值给newcapacity作为新的栈容量。

3️⃣先放入新的元素入栈，接着pst->top指向栈顶元素的指针++

4.检测栈是否为空

        栈为空返回true,不为空返回false

bool STEmpty(ST* pst)//栈为空返回true,不为空返回false
{
    //写法一
	//assert(pst);
	//if (pst->top == 0)
	//{
	//	return true;
	//}
	//else
	//{
	//	return false;
	//}
	
    //写法二
    return pst->top == 0;
}

• 当栈为空时，表示栈中没有任何元素。此时，栈顶指针 top 的值通常被设置为特定的初始值（例如0或-1），指向栈底或栈外。在这种情况下，栈顶指针没有指向有效的元素，因此栈被认为是空的。

• 当栈非空时，表示栈中至少有一个元素。此时，栈顶指针top的值指向栈顶元素的位置。栈顶元素是最后一个被入栈的元素，也是最先被访问或移除的元素。只要栈中有元素存在，栈顶指针都会指向有效的位置。

        因此，在STEmpty(ST* pst)函数中，当栈为空时，即栈顶指针top的值为0（或其他特定初始值），我们返回 true 表示栈为空。反之，如果栈非空，即栈顶指针 top 的值大于0，我们返回 false 表示栈不为空。

5.出栈

        先用assert判断传过来的pst指针是否指向NULL。接着判断栈是否为NULL，为NULL，STEmpty(pst)返回true，!STEmpty(pst)就是false,断言失败，程序终止。反之断言成功，程序正常执行。

图解:

void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	pst->top--;
}

【注意事项】

          接着将指向栈顶的指针–，通过将栈顶指针top减一，可以将指针向栈底方向移动，从而使栈顶指向下一个元素。

        指针的移动并不会直接导致元素的销毁。指针的移动只是改变了栈顶指针的位置，使其指向了栈中的下一个元素。元素本身并不会被销毁，只是在后续的操作中，可能无法直接访问被移除的元素。

6.获取栈顶元素

图解:因为前面定义的时候pst->top=0,表示指向栈顶元素的下一个位置。

pst->top-1表示栈顶元素在数组中的索引。

STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));

	return pst->a[pst->top - 1];
}

        需要注意的是，在实际使用中，应确保栈不为空（即栈中有元素存在），才能执行取栈顶元素的操作。因此，在代码中使用了 assert(!STEmpty(pst)) 进行栈非空的断言校验。

代码执行:

7.获取栈中有效元素个数

图解:由图看出,pst->top此时是指向下标为4的位置的，所以栈此时的有效个数就为4

int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top;
}

代码执行: 

完整代码

Test.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Stack.h"
void TestStack1()
{
	ST st;
	STInit(&st);
	STPush(&st, 1);
	STPush(&st, 2);
	STPush(&st, 3);
	STPush(&st, 4);
	while (!STEmpty(&st))
	{
		printf("%d ", STTop(&st));//栈顶元素
		STPop(&st);
	}
	STDestroy(&st);
}
void TestStack2()
{
	ST st;
	STInit(&st);
	STPush(&st, 1);
	STPush(&st, 2);
	printf("%d ", STTop(&st));
	STPush(&st, 3);
	STPush(&st, 4);
	printf("\n");
	printf("%d ", STTop(&st));
	//printf("%d", STSize(&st));
	//while (!STEmpty(&st))
	//{
	//	printf("%d ", STTop(&st));//栈顶元素
	//	STPop(&st);
	//}
	STDestroy(&st);
}
void TestStack3()
{
	ST st;
	STInit(&st);
	STPush(&st, 1);
	STPush(&st, 2);
	STPush(&st, 3);
	STPush(&st, 4);
	//printf("%d", STSize(&st));

	STDestroy(&st);
}

int main()
{
	TestStack1();//入栈出栈
	//TestStack2();//获取栈顶元素
	//TestStack3();//计算栈中有效元素个数 
	return 0;
}

Stack.h

#pragma once
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdio.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;//栈顶的位置
	int capacity;//栈的容量
}ST;

void STInit(ST* pst);
void STDestroy(ST* pst);
void STPush(ST* pst,STDataType x);
void STPop(ST* pst);
STDataType STTop(ST* pst);
bool  STEmpty(ST* pst);
int STSize(ST*pst);

Stack.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Stack.h"
void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);
	pst->a = NULL;//栈底
	
	//top不是下标
    //pst->top=-1;//指向栈顶元素
	pst->top = 0;//指向栈顶元素的下一个位置
	pst->capacity = 0;

}

void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
}


void STPush(ST* pst,STDataType x)
{
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;//true,4.false,括2倍

		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newCapacity * sizeof(STDataType));//返回值地址相等就是原地扩容，不同就是异地扩
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}
		pst->a = tmp;//返回的是realloc出来的内存块的地址
		pst->capacity = newCapacity;//把扩容后的空间大小赋值给栈容量
	}
	pst->a[pst->top] = x;//先放值
	pst->top++;//再++
}


void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	pst->top--;
}


STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));

	return pst->a[pst->top - 1];
}

bool STEmpty(ST* pst)//栈为空返回true,不为空返回false
{
	//assert(pst);
	//if (pst->top == 0)
	//{
	//	return true;
	//}
	//else
	//{
	//	return false;
	//}
	return pst->top == 0;
}
int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top;
}

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