数据结构之栈

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，效率时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

1. 栈的定义

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

2. 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);

3. 栈的初始化

   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;

   }

4. 销毁栈

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

5. 检测栈是否为空

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

6. 入栈

   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++

   }

7. 出栈

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

8. 获取栈顶元素

STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
 
	return pst->a[pst->top - 1];
}

9. 获取栈中有效元素个数

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