目录
[0 引言](#0 引言)
[1 栈在括号匹配中的应用](#1 栈在括号匹配中的应用)
[2 栈在表达式求值中的应用](#2 栈在表达式求值中的应用)
[2.1 算数表达式](#2.1 算数表达式)
[2.2 中缀表达式转后缀表达式](#2.2 中缀表达式转后缀表达式)
[2.3 后缀表达式求值](#2.3 后缀表达式求值)
[3 栈在递归中的应用](#3 栈在递归中的应用)
[3.1 栈在函数调用中的作用](#3.1 栈在函数调用中的作用)
[3.2 栈在函数调用中的工作原理](#3.2 栈在函数调用中的工作原理)
[4 总结](#4 总结)
0 引言
栈（Stack）是一种非常基本且重要的数据结构，它们在许多计算机科学和软件工程的应用中都有广泛的用途。
栈：
①括号匹配；
②表达式求值；
③递归函数调用。
1 栈在括号匹配中的应用
表达式中有两种括号：圆括号 ( ) 和 方括号 [ ]，嵌套的顺序任意，但应为正确的格式。
例如：( ( [ ] [ ] ) ) 为正确格式。
但如何用算法实现括号匹配问题？
思路如下：
（1）初始一个空栈；
（2）顺序读入括号；
（3）当读入的为左括号，将继续读入括号，直到读入第一个右括号。那将检测与之最近的左括号是否与之相匹配，若匹配，则出栈；若不匹配，则退出程序。当程序结束时，栈为空。反之，则表明括号序列的格式不正确。
代码如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#define MAX_SIZE 100 // 假设栈的最大大小
typedef struct {
char data[MAX_SIZE];
int top;
} Stack;
// 初始化栈
void initStack(Stack *s) {
s->top = -1;
}
// 判断栈是否为空
bool isEmpty(Stack *s) {
return s->top == -1;
}
// 入栈
void push(Stack *s, char c) {
if (s->top >= MAX_SIZE - 1) {
printf("Stack overflow\n");
return;
}
s->data[++s->top] = c;
}
// 出栈
char pop(Stack *s) {
if (isEmpty(s)) {
printf("Stack underflow\n");
return '#'; // 返回一个无效字符，或可以选择抛出一个错误
}
return s->data[s->top--];
}
// 检查两个括号是否匹配
bool isMatch(char c1, char c2) {
if (c1 == '(' && c2 == ')') return true;
if (c1 == '[' && c2 == ']') return true;
if (c1 == '{' && c2 == '}') return true;
return false;
}
// 括号匹配函数
bool isBalanced(char *str) {
Stack s;
initStack(&s);
for (int i = 0; str[i] != '\0'; i++) {
if (str[i] == '(' || str[i] == '[' || str[i] == '{') {
push(&s, str[i]);
} else if (str[i] == ')' || str[i] == ']' || str[i] == '}') {
if (isEmpty(&s)) {
// 栈为空，但遇到了右括号，不匹配
return false;
}
char topChar = pop(&s);
if (!isMatch(topChar, str[i])) {
// 栈顶元素与当前右括号不匹配
return false;
}
}
}
// 如果栈为空，则所有括号都匹配
return isEmpty(&s);
}
int main() {
char str[MAX_SIZE];
printf("Enter a string with brackets: ");
scanf("%s", str);
if (isBalanced(str)) {
printf("The brackets are balanced.\n");
} else {
printf("The brackets are not balanced.\n");
}
return 0;
}
2 栈在表达式求值中的应用
2.1 算数表达式
中缀表达式是人们常用的算术表达式，即操作符以中缀形式处于操作数之间。但在计算机中，中缀表达式相较于前缀和后缀表达式来说，更不易被计算机识别。前缀表达式成为波兰式，后缀表达式又称逆波兰式。
2.2 中缀表达式转后缀表达式
（1）手算方法：
①根据运算顺序对表达式运算符排号；
②根据运算符排号顺序，将运算符及两端的操作数以（左操作数 右操作数 运算符）的顺序重新组合。
例如：( A + B ) * C + ( D - E ) / F转后缀表达式的过程如下：
（2）算法实现：
①初始一个栈；
②遇到操作数，直接加入后缀表达式；
③遇到界限符，若为左括号直接入栈，若为右括号，则依次弹出栈中的运算符，加入后缀表达式，知道弹出左括号为止。需要注意的是，左括号和右括号直接删除，不加入后缀表达式。
④遇到运算符，则看运算符的优先级，若高于除左括号外的栈顶元素，则直接入栈。反之，则依次弹出栈中优先级高于或等于当前运算符的所有运算符，并加入后缀表达式，直到遇到低于他的优先级的运算符，才入栈。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
#define MAX_SIZE 100
typedef struct {
char data[MAX_SIZE];
int top;
} Stack;
// 初始化栈
void initStack(Stack *s) {
s->top = -1;
}
// 判断栈是否为空
bool isEmpty(Stack *s) {
return s->top == -1;
}
// 入栈
bool push(Stack *s, char c) {
if (s->top >= MAX_SIZE - 1) {
return false; // 栈溢出
}
s->data[++s->top] = c;
return true;
}
// 出栈
char pop(Stack *s) {
if (isEmpty(s)) {
return '\0'; // 栈空，返回空字符
}
return s->data[s->top--];
}
// 获取栈顶元素，但不弹出
char peek(Stack *s) {
if (isEmpty(s)) {
return '\0'; // 栈空，返回空字符
}
return s->data[s->top];
}
// 运算符的优先级比较（这里只处理了基本的四则运算）
int precedence(char op) {
if (op == '+' || op == '-') {
return 1;
}
if (op == '*' || op == '/') {
return 2;
}
return 0; // 如果不是运算符，返回0
}
// 将中缀表达式转换为后缀表达式
void infixToPostfix(char *infix, char *postfix) {
Stack s;
initStack(&s);
int i = 0, j = 0;
while (infix[i] != '\0') {
if (infix[i] >= '0' && infix[i] <= '9') {
// 如果是操作数，直接添加到后缀表达式中
postfix[j++] = infix[i++];
postfix[j++] = ' '; // 假设操作数都是个位数，用空格分隔
} else if (infix[i] == '(') {
// 如果是左括号，直接入栈
push(&s, infix[i++]);
} else if (infix[i] == ')') {
// 如果是右括号，则弹出栈中元素直到遇到左括号
while (!isEmpty(&s) && peek(&s) != '(') {
postfix[j++] = pop(&s);
postfix[j++] = ' ';
}
// 弹出左括号，但不加入后缀表达式
pop(&s);
i++;
} else {
// 如果是运算符
while (!isEmpty(&s) && precedence(peek(&s)) >= precedence(infix[i])) {
// 如果栈不为空且栈顶元素优先级高于或等于当前运算符，弹出栈顶元素
postfix[j++] = pop(&s);
postfix[j++] = ' ';
}
// 当前运算符入栈
push(&s, infix[i++]);
}
}
// 弹出栈中剩余的所有运算符
while (!isEmpty(&s)) {
postfix[j++] = pop(&s);
postfix[j++] = ' ';
}
// 添加字符串结束符
postfix[j] = '\0';
}
int main() {
char infix[MAX_SIZE], postfix[MAX_SIZE * 2]; // 后缀表达式可能更长，因此分配更多空间
printf("Enter an infix expression: ");
scanf("%s", infix); // 注意：这里不会处理空格和复杂输入
infixToPostfix(infix, postfix);
printf("Postfix expression: %s\n", postfix);
return 0;
}
2.3 后缀表达式求值
后缀表达式（也称为逆波兰表示法或逆波兰记法）是一种不需要括号来标明运算符的优先级的数学表达式。在这种表示法中，所有的运算符都放在操作数的后面。
求值后缀表达式的基本步骤如下：
- 初始化一个栈，用于存储操作数。
- 从左到右扫描后缀表达式。
- 如果扫描到操作数，则将其压入栈中。
- 如果扫描到运算符，则从栈中弹出两个操作数（先弹出的为右操作数，后弹出的为左操作数），将这两个操作数作为运算符的输入进行运算，然后将结果压回栈中。
- 重复步骤2-4，直到后缀表达式扫描完毕。
- 栈中剩下的元素就是表达式的值。
示例 ：
后缀表达式：3 4 + 5 *
求值过程：
- 扫描到
3，压入栈：[3] - 扫描到
4，压入栈：[3, 4] - 扫描到
+，弹出4和3，计算3 + 4得到7，压入栈：[7] - 扫描到
5，压入栈：[7, 5] - 扫描到
*，弹出5和7，计算7 * 5得到35，压入栈：[35] - 扫描完毕，栈中元素
35即为表达式的值。
下面是实现代码（以上述示例为例）：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <string.h>
#define MAX_STACK_SIZE 100
typedef struct {
double data[MAX_STACK_SIZE];
int top;
} Stack;
// 初始化栈
void initStack(Stack *s) {
s->top = -1;
}
// 判断栈是否为空
int isEmpty(Stack *s) {
return s->top == -1;
}
// 压栈操作
void push(Stack *s, double value) {
if (s->top >= MAX_STACK_SIZE - 1) {
printf("Stack overflow\n");
exit(1);
}
s->data[++s->top] = value;
}
// 弹栈操作
double pop(Stack *s) {
if (isEmpty(s)) {
printf("Stack underflow\n");
exit(1);
}
return s->data[s->top--];
}
// 求值后缀表达式
double evaluatePostfix(const char *postfix) {
Stack s;
initStack(&s);
const char *token = strtok((char *)postfix, " "); // 假设操作符和操作数之间用空格分隔
while (token != NULL) {
if (isdigit(token[0])) { // 如果是操作数
double value = atof(token);
push(&s, value);
} else { // 如果是运算符
double rightOperand = pop(&s); // 弹出右操作数
double leftOperand = pop(&s); // 弹出左操作数
switch (token[0]) {
case '+':
push(&s, leftOperand + rightOperand);
break;
case '-':
push(&s, leftOperand - rightOperand);
break;
case '*':
push(&s, leftOperand * rightOperand);
break;
case '/':
if (rightOperand != 0.0) {
push(&s, leftOperand / rightOperand);
} else {
printf("Error: Division by zero\n");
exit(1);
}
break;
default:
printf("Error: Unknown operator\n");
exit(1);
}
}
token = strtok(NULL, " "); // 继续获取下一个token
}
if (!isEmpty(&s)) {
return pop(&s); // 栈中剩下的元素就是表达式的值
} else {
printf("Error: Invalid postfix expression\n");
exit(1);
}
}
int main() {
const char *postfix = "3 4 + 5 *";
double result = evaluatePostfix(postfix);
printf("Result: %lf\n", result);
return 0;
}
3 栈在递归中的应用
3.1 栈在函数调用中的作用
- 参数传递：当调用一个函数时，需要传递参数给该函数。这些参数会被压入栈中，以便函数内部能够访问和使用它们。
- 局部变量分配：函数内部定义的局部变量会在栈上分配空间。这些变量的生命周期与函数的执行周期相同，当函数执行完毕后，这些局部变量所占用的栈空间会被自动释放。
- 保存调用的返回地址：在函数调用时，CPU需要知道函数执行完毕后应该返回到哪个位置继续执行。这个返回地址会被保存在栈中，以便函数执行完毕后能够正确地返回到调用它的位置。
- 保存寄存器以供恢复：在函数调用和返回的过程中，CPU的寄存器状态会发生变化。为了能够在函数返回后恢复原来的寄存器状态，栈会保存这些寄存器的值。
3.2 栈在函数调用中的工作原理
- 函数调用：当调用一个函数时，系统首先会创建一个新的栈帧（stack frame）来保存该函数的执行环境。这个栈帧包含了函数的返回地址、参数、局部变量等信息。然后，系统会将当前程序的执行状态（如返回地址、寄存器状态等）压入栈中，以便在函数执行完毕后能够恢复。
- 函数执行：在函数执行过程中，函数会访问栈帧中的参数和局部变量，并根据需要进行计算和操作。同时，如果函数内部调用了其他函数，系统也会为这些被调用的函数创建新的栈帧，并将当前函数的执行状态压入栈中保存。
- 函数返回：当函数执行完毕或者遇到return语句时，系统会弹出当前函数的栈帧，并根据栈帧中的返回地址返回到调用它的位置继续执行。在返回之前，系统还会恢复调用该函数时的寄存器状态。
下面将给出一个例子：
例如：阶乘，大家可以自行调试；
#include <stdio.h>
int step(int n){
if(n==1)
return 1;
else
return n*step(n-1);
}
int main(){
int n,s;
scanf("%d",&n);
s=step(n);
printf("%d",s);
}
4 总结
在本文中，我们深入探讨了栈这一数据结构及其在各种应用场景中的重要作用。栈作为一种后进先出（LIFO）的数据结构，其独特的操作方式------压栈（push）和弹栈（pop），使得它在计算机科学和软件开发中占据了不可或缺的地位。
详细讨论了栈在多个领域中的应用。其中，后缀表达式的求值是一个经典的栈应用示例。在这个问题中，我们利用栈来存储操作数，并通过操作数的弹出和结果的压入，实现了表达式的正确计算。这种方法不仅简化了表达式的处理流程，而且提高了计算效率。
此外，栈还在函数调用、递归等方面发挥着重要作用。在函数调用中，栈用于存储局部变量和返回地址，确保函数能够正确地返回并继续执行。在递归算法中，栈用于保存递归调用的中间结果，从而避免重复计算。
综上所述，栈作为一种基本而强大的数据结构，在各个领域都有着广泛的应用。通过学习和掌握栈的使用方法和应用场景，我们能够更好地解决实际问题，提高编程效率。