「栈」实现LIFO栈(先进后出栈|堆栈|stack)的功能 / 手撕数据结构(C++)

概述

,是一种基本的数据结构,也是一种数据适配器。它在底层上以链表方法或动态数组方法实现。

队列的显著特点是他的添加元素与删除元素操作:先加入的元素总是被先弹出。

一个队列应该应该是这样的:

cpp 复制代码
          --------------STACK-------------
          ------------ ←-- ------------ ←-- ------------ ←-- ------------  ←-- push()
           T1       T2       T3       T4  
          ------------ --→ ------------ --→ ------------ --→ ------------  --→ pop()  
          --------------------------------
         bottom                      top()

Tn代表该元素被加入到队列的次序。

一个队列有以下三种基本行为:

**top()**表示对队列头元素的访问操作。如得到元素T4。

**pop()**表示对队列头元素的弹出操作。我们弹出T4

cpp 复制代码
          --------------STACK-------------
               ------------ ←-- ------------ ←-- ------------      ←-- push()
                T1       T2       T3    
               ------------ --→ ------------ --→ ------------      --→ pop()  
          --------------------------------
         bottom                      top()

现在T3成为栈顶元素。

**push()**表示对队列尾部压入新元素。我们压入T5

cpp 复制代码
          --------------STACK-------------
          ------------ ←-- ------------ ←-- ------------ ←-- ------------  ←-- push()
           T2       T3       T4       T5  
          ------------ --→ ------------ --→ ------------ --→ ------------  --→ pop()  
          --------------------------------
         bottom                      top()

现在T5成为栈顶元素。

接下来我们通过封装stack类,实现栈的一些基本功能 。(Code和测试案例附后)

考虑到在实现队列功能的文章中我们已经使用了链表,这次我们使用动态数组来实现栈。 队列详见:「队列」实现FIFO队列(先进先出队列|queue)的功能 / 手撕数据结构(C++)

由于我们的动态数组实现的很完整,这使得本文章在代码部分基本不怎么需要讲解了。 数组详见:「数组」实现动态数组的功能 / 手撕数据结构(C++)

命名空间

C++有自己的std命名空间下的stack,为了进行区分,封装一个自己的动态数组命名空间custom_stack。

使用namespace关键字封装,使用时可以声明using namespace custom_stack;在作用域内声明,或custom_stack::局部声明。

cpp 复制代码
namespace custom_stack{
    ...
}
 
//作用域内声明
using namespace custom_stack;
 
//局部声明
custom_stack::...

成员变量

template <typename T>泛型,作为数据适配器,他的数据单位应该是任意一种类型,此时暂用T表示,至于T为何物将在实例化时以<>告知。

定义class类val,封装一个成员变量:custom_dynamic_array命名空间下的array<T>示例化val动态数组。

*注意*:文末附有不封装array数组的实现方案。

数组内部详见「数组」实现动态数组的功能 / 手撕数据结构(C++)

我们使用数组来模拟栈:

栈顶是数组的最后一个元素,入栈即是在数组尾部加入新元素,出栈即是将放弃最后一个元素然后前移。

cpp 复制代码
namespace custom_stack {
	template<typename T>
	class stack {
	private:
		custom_dynamic_array::array<T> val;
	public:
        ...
}

创建销毁

默认构造stack(int num = 5),接收一个num,num默认是5。为数组开为5个元素的空间。

复制构造stack(const stack& another),传入val执行复制构造。

移动构造stack(stack&& another) ,移动构造详见:「数组」实现动态数组的功能 / 手撕数据结构(C++)

复制赋值运算符stack& operator=(const stack& another),类似复制构造。

移动赋值运算符stack& operator=(stack&& another),类似移动构造。

由编译器给出析构函数。析构函数的内部会调用底层动态数组array的析构函数。

cpp 复制代码
        stack(int num = 5) :val(num) {};
		stack(const stack& another): val(another.val) {};
		stack(stack&& another) :val(std::move(another.val)) {};
		stack& operator=(const stack& another) {
			val = another.val;
		}
		stack& operator=(stack&& another) {
            if (this == &another)return *this;
			val = std::move(another.val);
		}

数据控制

获取长度size_t size(),返回array类型的val内部的val_size。

判断为空bool empty(),返回array类型的val内部的val_size ? false : true。

队顶压入void push(T&& elem),在数组尾加入新元素。(T&&作为万能引用,此处不表)

队顶弹出void pop(),数组尾前移。(数组的接口函数内部使用assert断言数组不能为空)

内部交换void swap(stack& another),直接交换底层数组。

cpp 复制代码
        bool empty()const{
			return val.empty();
		}
		size_t size()const{
			return val.size();
		}
		void push(T&& elem) {
			val.push_back(std::forward<T>(elem));
		}
		void pop() {
			val.pop_back();
		}
		void swap(stack& another) {
			val.swap(another.val);
		}

数据访问

访问栈顶const T& top(),断言数组长度大于0后,返回数组的尾元素。

cpp 复制代码
		const T& top()const {
			assert(val.size() > 0);
			return val[val.size() - 1];
		}

Code

*注意*:笔者包含了位于其他位置的array头文件。

cpp 复制代码
#pragma once
#include <custom\array.h>
namespace custom_stack {
	template<typename T>
	class stack {
	private:
		custom_dynamic_array::array<T> val;
	public:
		stack(int num = 5) :val(num) {};
		stack(const stack& another): val(another.val) {};
		stack(stack&& another) :val(std::move(another.val)) {};
		stack& operator=(const stack& another) {
			val = another.val;
		}
		stack& operator=(stack&& another) {
            if (this == &another)return *this;
			val = std::move(another.val);
		}
		bool empty(){
			return val.empty();
		}
		size_t size(){
			return val.size();
		}
		void push(T &&elem) {
			val.push_back(std::forward<T>(elem));
		}
		void pop() {
			val.pop_back();
		}
		void swap(stack& another) {
			val.swap(another.val);
		}
		const T& top() {
			assert(val.size() > 0);
			return val[val.size() - 1];
		}
	};
}

测试

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include "stack.h"
using namespace std;
int main() {
	custom_stack::stack<char>stk1;
	std::cout << "---------------test1---------------" << std::endl;
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		stk1.push(i + 'a');
		cout << char(i + 'a');
	}
	cout << endl;
	std::cout << "-----------------------------------" << std::endl;
	std::cout << "---------------test2---------------" << std::endl;
	custom_stack::stack<char>stk2(stk1);
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		cout << stk2.top();
		stk2.pop();
	}
	std::cout << endl;
	std::cout << "-----------------------------------" << std::endl;
	return 0;
}

另附

不嵌套底层array类的栈结构。

cpp 复制代码
#include <cassert>
#ifndef CUSTOM_STACK
#define CSUTOM_STACK
namespace custom_stack {
	template<typename T>
	class stack {
	private:
		T* val;
		size_t val_size;
		size_t val_capacity;
	public:
		stack(int num = 1) :val_size(0),val_capacity(num) {
			val = new T[num];
		};
		stack(const stack& another) : val_size(another.val_size), val_capacity(another.val_capacity) {//拷贝构造
			val = new T[another.val_capacity];
			memcpy(val, another.val, sizeof(T) * another.val_size);
		}
		stack(stack&& another) noexcept : val_size(another.val_size), val_capacity(another.val_capacity) {//移动构造
			val = another.val;
			another.val = nullptr;
		}
		stack& operator=(const stack& another) {
			delete[]val;
			val = new T[another.val_capacity];
			memcpy(val, another.val, sizeof(T) * another.val_size);
			val_size = another.val_size;
			val_capacity = another.val_capacity;
			return *this;
		}
		stack& operator=(stack&& another) {
			if (this == &another)return *this;
			delete[]val;
			val = another.val;
			val_size = another.val_size;
			val_capacity = another.val_capacity;
			another.val = nullptr;
			return *this;
		}
		bool empty()const {
			return val_size?false:true;
		}
		size_t size()const {
			return val_size;
		}
		void reserve(const int num) {
			if (num > val_capacity) {
				T* temp = new T[num];
				memcpy(temp, val, sizeof(T) * val_size);
				delete[]val;
				val = temp;
				val_capacity = num;
			}
		}
		template<typename V>
		void push(V&& elem) {
			if (val_capacity - val_size <= 1)reserve(val_capacity * 2);
			val[val_size++] = elem;
		}
		void pop() {
			assert(val_size > 0);
			val_size--;
		}
		const T& top()const {
			assert(val_size > 0);
			return val[val_size - 1];
		}
	};
}
#endif
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