数据结构从入门到实战————栈

前言

在计算机科学与数据结构领域，栈（Stack） 是一种重要的线性数据结构，遵循"后进先出"（Last In, First Out, 简称 LIFO）的原则。作为抽象数据类型的一种典型实现，栈通过限制插入和删除操作的位置，构建了一个高效且易于管理的数据访问模型。

栈的基本功能：

• **后进先出（LIFO）操作：**栈遵循"最后进入的元素最先被访问或移除"的原则，仅允许在栈顶进行插入（Push）和删除（Pop）操作，确保数据按逆序处理。
• **高效的入栈与出栈：**压栈和弹栈操作的时间复杂度均为 O(1)，无需移动其他元素，适合频繁添加和删除的场景。
• **栈顶访问支持：**提供 Peek 或 Top 操作，可在不修改栈结构的前提下查看当前栈顶元素，用于预判或条件判断。
• **动态容量扩展：**基于动态数组或链表实现时，栈可自动扩容，适应不确定规模的数据存储需求，避免预先分配过多内存。
• **运行状态管理能力：**天然适用于保存程序执行上下文，如函数调用、递归展开、表达式求值等需要回溯的历史状态管理任务。

综上所述，栈作为一种基础而强大的数据结构，以其简洁的操作接口和高效的运行性能，在程序设计中扮演着不可或缺的角色。尽管其访问模式受到严格限制，但正是这种约束赋予了它在特定应用场景下的卓越表现。本文系统阐述了栈的基本操作、实现方式及其优缺点，旨在帮助读者深入理解其工作原理，并能够在实际开发中灵活运用，为构建更复杂的算法与系统奠定坚实基础。

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正文开始

一、栈

1.1 栈的基本概念以及结构

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。

二、 栈的实现

栈的实现一般可以使用数组 或者链表实现，相对而言数组的结构实现更优一些。因为数组在尾上插入数据的代价比较小。

项目结构如下：

2.1 定义栈的结构以及方法的声明

Stack.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
//首先先定义栈的结构
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

//栈的初始化
void STInit(ST* pst);

//栈的销毁
void STDestroy(ST* pst);

//入栈
void STInsert(ST* pst);

//出栈
void STPop(ST* pst);

//获取栈顶数据
void STTop(ST* pst);

//判断栈是否为空
bool STEmpty(ST* pst);

//获取栈里面的数据个数
int STSize(ST* pst);

2.2 栈的初始化

Stack.c

//栈的初始化
void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);
	pst->a = NULL;
	pst->capacity = 0;
	pst->top = 0;
}

2.3 栈的销毁

Stack.c

//栈的销毁
void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
	pst->capacity = pst->top = 0;
}

2.4 入栈

Stack.c

//入栈
void STInsert(ST* pst, STDataType x)
{
	assert(pst);

	//扩容
	if (pst->capacity == pst->top)
	{
		
		int new_capacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		ST* tmp = (ST*)realloc(pst->a, new_capacity * sizeof(STDataType);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail!");
			return;
		}
		pst->a = tmp;
		pst->capacity = new_capacity;
	}
	pst->a[pst->top++] = x;
}

2.5 出栈

Stack.c

//出栈
void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst && pst->top > 0);
	pst->top--;
}

2.6 获取栈顶的数据

//获取栈顶数据
void STTop(ST* pst)
{
	assert(pst && pst->top > 0);
	return pst->a[pst->top - 1];
}

2.7 判断栈是否为空

//判断栈是否为空
bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top == 0;
}

2.8 获取栈里面元素的个数

//获取栈里面的数据个数
int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top;
}

测试结果如下：

码云链接：https://gitee.com/a-qian-c-language/data-structure.git