【数据结构】线性数据结构——栈

1. 定义

栈(Stack)是一种线性数据结构,它遵循**后进先出(LIFO,Last In First Out)**的原则。也就是说,最后被插入的元素最先被取出。栈只允许在一端(栈顶,Top)进行数据的插入和删除操作。

2. 特点

  • 后进先出: 最后加入栈的元素最先被移除。

  • 受限操作: 栈只允许在栈顶进行插入(Push)和删除(Pop)操作。

  • 只能访问栈顶元素: 通过 Peek/Top 操作获取栈顶元素,而不移除它。

  • 空栈和栈满的状态: 空栈时无法弹出元素。在固定大小的栈中,栈满时无法继续插入。

3. 栈的基本操作

以C++ 的 STL(标准模板库)提供的 std::stack 类模板为例,以下是栈的常见基本操作:

  • push(value): 将元素压入栈顶。
  • pop(): 弹出栈顶元素(不返回值,只移除)。
  • top(): 获取栈顶元素,但不移除。
  • empty(): 检查栈是否为空,返回 true 或 false。
  • size(): 返回栈中元素的数量。

4. 栈的实现方式

栈可以通过数组或链表实现:

(1) 数组实现栈: 使用一个数组和指针表示栈顶位置。

优点:实现简单。

缺点:需要提前定义数组大小,容量固定,可能浪费空间。

(2) 链表实现栈: 使用链表节点动态存储元素。

优点:可以动态扩展,无需提前定义容量。

缺点:需要额外存储指针,空间效率略低于数组。

5. 栈的应用

栈因其后进先出的特性,在许多场景中非常有用:

  • 括号匹配: 用于判断括号是否成对出现(如 {()})。

  • 表达式求值: 中缀表达式转后缀表达式,以及后缀表达式的计算。

  • 函数调用管理: 栈用于保存函数调用的上下文(调用栈)。

  • 深度优先搜索(DFS): 栈用于保存节点的路径。

  • 撤销与恢复操作: 在文本编辑器中,用栈保存用户操作的历史记录,实现撤销功能。

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