【数据结构】使用C语言 从零实现一个栈的数据结构

栈

什么是栈？栈是一种特殊的线性表，它只能在在表尾进行插入和删除操作。

栈的底部称为栈底，顶部称为栈顶，所有的操作只能在栈顶进行，也就是说，被压在下方的元素，只能等待其上方的元素出栈之后才能取出，就像我们往箱子里里面放的书一样，因为只有一个口取出里面的物品，所以被压在下面的书只能等上面的书被拿出来之后才能取出，这就是栈的思想，它是一种先进后出的数据结构。

使用C语言实现栈

一般使用栈这样的机构，常用的两个操作就是入栈和出栈

• pop：出栈操作，将栈顶的元素取出，并删除
• push：入栈操作，将新元素置入栈顶

定义数据结构

我们在栈的底层使用数组进行存储，所以结构中将储存一个数组的指针，和数组的容量（方便初始化和申请内存）；另外栈只能操作栈顶的元素，所以结构中还存着一个变量top，表示栈顶的元素。

typedef int E;

struct Stack
{
    E * array; // 一个数组的指针
    int capacity; // 数组的容量
    int top;  // 栈顶的元素
};

typedef struct Stack * stack;

再给栈结构的指针起一个别名，便于后续对栈进行操作。

定义初始化方法

接着我们定义一个初始化栈的方法,在初始化方法中，我们默认初始化时，底层数组的最大容量是10个内存单位，也就是40字节（因为E是int类型），接着我们定义，刚初始化完栈之后是一个空栈，则栈顶的指针默认为-1。

top变量是为后续的入栈出栈操作做铺垫的，它可以当作数组的索引，也可以用来当作是否是空栈的标识。

int initStack(stack stack)
{
    stack->array = malloc(sizeof(E) * 10); // 申请一个40字节的内存
    if (stack->array == NULL) return 0;
    stack->capacity = 10; // 记录底层数组的容量
    stack->top = -1;  // 栈没有元素默认为-1

    return 1;
}

在main函数中，实例化一个Stack类型，接着使用initStack函数就完成了栈的初始化：

int main()
{
    struct Stack stack;
    initStack(&stack);


    return 0;
}

实现入栈操作

入栈操作，就是把一个元素放到栈的最上方，也就是栈顶上，所以实现该操作的函数只需要有两个参数就可以了：

• 栈的指针
• 需要入栈的元素

另外，底层数组的默认容量是10，如果入栈超过10个元素的话，内存就会造成泄露，所以对底层数组进行扩容操作也是必不可少的。

int pushStack(stack stack,E element)
{
    if (stack->top == stack->capacity - 1) // 扩容
    {
        int newCapacity = stack->capacity * 2;
        E* newArray = realloc(stack->array,newCapacity * sizeof(E));
        if (newArray == NULL) return 0;
        stack->array = newArray;
        stack->capacity = newCapacity;
    }

    stack->top++;
    stack->array[stack->top] = element;
    
    return 1;
}

在扩容操作中，我们使用realloc函数将原数组拷贝到一个新的大小的内存中，这个内存地址我们使用newArray来接收，最后将原栈中的array指向newArray,将原栈中的capacity 指向newCapacity。

简单编写一个打印栈元素的函数，用于测试栈：

void printStack(stack stack)
{
    printf("|");
    for (int i = 0;i<=stack->top;i++)
    {
        printf("%d, ",stack->array[i]);
    }

    printf("\n");
}

int main()
{
    struct Stack stack;
    initStack(&stack);

    for(int i = 1;i<=10;i++)
    {
        pushStack(&stack,i);
    }

    printStack(&stack);

    return 0;
}

控制台输出：

|1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,

入栈操作成功实现~

实现出栈操作

出栈操作就是把栈顶的元素取出，然后把top执行自减操作，如果不自减元素出栈之后栈顶的元素还会是原来的元素。

E popStack(stack stack)
{
    if (stack->top == -1)
    {
        printf("栈为空，不能出栈\n");
        return -1;
    }
    
    E element = stack->array[stack->top];
    stack->top--;

    return element;
}

我们接着测试一下：

void printStack(stack stack)
{
    printf("|");
    for (int i = 0;i<=stack->top;i++)
    {
        printf("%d, ",stack->array[i]);
    }

    printf("\n");
}

int main()
{
    struct Stack stack;
    initStack(&stack);

    for(int i = 1;i<=20;i++)
    {
        pushStack(&stack,i);
    }

    printStack(&stack);

    printf("出栈的元素顺序：");
    while (1)
    {
        printf("%d, ",stack.array[stack.top]);
        popStack(&stack);
        if (stack.top == -1) break;
    }

    return 0;
}

会发现控制台输出的信息为：

|1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20,
出栈的元素顺序：20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,

出栈的顺序是从20到1的，说明元素是从栈顶依次出去的，至此出栈操作也实现好了。

总结

使用C语言手动把栈的结构和各种操作实现一遍是很重要的，它能够加深学习者对计算机底层的认识，也能够为后续的算法题的解题提供一种新的思路。

本篇博文所有代码：

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

typedef int E;

struct Stack
{
    E * array; // 一个数组的指针
    int capacity; // 数组的容量
    int top;  // 栈顶的元素
};

typedef struct Stack * stack;

int initStack(stack stack)
{
    stack->array = malloc(sizeof(E) * 10); // 申请一个40字节的内存
    if (stack->array == NULL) return 0;
    stack->capacity = 10; // 记录底层数组的容量
    stack->top = -1;  // 栈没有元素默认为-1

    return 1;
}

int pushStack(stack stack,E element)
{
    if (stack->top == stack->capacity - 1) // 扩容
    {
        int newCapacity = stack->capacity * 2;
        E* newArray = realloc(stack->array,newCapacity * sizeof(E));
        if (newArray == NULL) return 0;
        stack->array = newArray;
        stack->capacity = newCapacity;
    }

    stack->top++;
    stack->array[stack->top] = element;

    return 1;
}

E popStack(stack stack)
{
    if (stack->top == -1)
    {
        printf("栈为空，不能出栈\n");
        return -1;
    }

    E element = stack->array[stack->top];
    stack->top--;

    return element;
}

void printStack(stack stack)
{
    printf("|");
    for (int i = 0;i<=stack->top;i++)
    {
        printf("%d, ",stack->array[i]);
    }

    printf("\n");
}

int main()
{
    struct Stack stack;
    initStack(&stack);

    for(int i = 1;i<=20;i++)
    {
        pushStack(&stack,i);
    }

    printStack(&stack);

    printf("出栈的元素顺序：");
    while (1)
    {
        printf("%d, ",stack.array[stack.top]);
        popStack(&stack);
        if (stack.top == -1) break;

    }

    return 0;
}