栈和队列（C语言底层实现栈）

努力中的编程者2026-03-14 9:03

栈的核心思想就是"后进先出" (LIFO - Last In First Out)，就像我们在桌子上叠盘子一样：最后放上去的盘子，必须最先拿下来。

1.定义栈的结构体

我们可以把"栈"想象成一个竖着的薯片桶。 你只能从最上面放薯片进去（入栈），也只能从最上面拿薯片出来（出栈）。

复制代码 
typedef struct
{
	int capacity;//薯片桶的长度（最大容量）
	int top;//记录当前位置
	int* data;//真正放薯片的空间（指针）
}Stack;
int capacity;（容量）

很好理解，你总得知道这个薯片桶最多能装多少片薯片 吧？ 如果 capacity = 10，那就说明这个桶最多装 10 个数据。超过了就会溢出（报错）。所以我们需要这个变量来记住桶的大小。

int top;（栈顶游标）

这是一个非常关键的变量。你可以把它想象成一根悬在薯片桶外面的手指 。桶是空的时候，这根手指指着最底下，也就是 -1 的位置（因为数组的第一层是 0，-1 代表连第 0 层都没东西）。放进 1 片薯片，手指向上移一格，指向 0。再放 1 片薯片，手指向上移一格，指向 1。

如果你要拿走一片薯片，你不需要去销毁那片薯片，你只需要把手指向下移一格 。下次再放新薯片的时候，直接把原来的位置覆盖掉就行了。 top 存在的意义，就是永远告诉你：现在最新放进去的那个数据，在第几层？

int *data;（指向数据的指针）

你可能会问：既然用来存数据，为什么不直接写成一个数组，比如 int data[100]; 呢？如果写成 int data[100];，这就叫写死了 。这意味着你造出来的每一个薯片桶，不管里面装了几片薯片，它永远占用 100 个位置的空间。太浪费内存了！而写成 int *data;（带个星号 * 的指针），它就像是一把万能钥匙 。它暂时不占用巨大空间，只是准备好去指向一块未来的空间。等到程序运行的时候，用户说"我要一个装 3 个数据的栈"，我们就去内存里临时租一个大小为 3 的空间，把钥匙交给 data；用户说"我要装 10000 个"，我们就去租大小为 10000 的空间。这就叫动态分配，极其灵活！

2.初始化栈

复制代码 
void stackInit(Stack* s, int capacity)
{
	s->data = (int*)malloc(capacity * sizeof(int));

	if (s->data == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
		exit(1);//强行退出
	}

	s->top = -1;//说明现在是空的
	s->capacity = capacity;//记住最大容量
}

top 代表最新放进去的数据在第几层。 现在桶是空的，连第 0 层（数组的第一个位置）都还没有放东西，所以我们把指示手指（top）指向 -1。这明确告诉所有人：这个栈现在是空的！

3.判断栈是否已满（辅助函数）

复制代码 
bool stackIsFull(Stack* s)
{
	// 逻辑：如果游标 top 已经到了数组的最后一个合法下标，就是满了。
	// 因为数组下标从 0 开始，所以最大容量为 capacity 时，最后一个下标是 capacity - 1。
	if (s->top == s->capacity - 1)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

4.压栈（入栈）

当我们要往"薯片桶"里塞数据时，逻辑顺序必须是这样的：

  1. 看一眼桶满了没。满了就不能硬塞，否则数组越界（内存溢出）。

  2. 把"记号笔"（top 游标）往上移动一格，指向一个新的空位置。

  3. 把数据放进这个新位置。

    void stackPush(Stack* s, int value)
    {
    if (stackIsFull(s))
    {
    printf("入栈失败，栈已经满了\n");
    return;
    }

    复制代码 
     //移动游标并赋值
 s->top++;
 s->data[s->top] = value;

    }

最容易犯的错误是先赋值，再移动 top（写成 s->data[s->top] = value; s->top++;）。 为什么那是错的？ 回忆一下，我们初始化的时候，s->top 是 -1。数组是没有 -1 这个下标的！ 所以，当我们要放第一个元素时，必须先让 top++ ，也就是让 top 变成 0，然后再把数据放到 s->data[0] 的位置。这个逻辑顺序是雷打不动的。

5.判断栈是否为空（辅助函数）

复制代码 
bool stackIsEmpty(Stack* s)
{
	// 逻辑：如果游标 top 还是当初初始化的 -1，说明里面一个数据都没有
	if (s->top == -1)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

6.弹栈（出栈）

拿数据的逻辑刚好反过来：

  1. 看一眼桶是不是空的。空的就没东西可拿，不能硬拿，否则也是数组越界。

  2. 把当前 top 指向的那个数据拿出来，记在心里。

  3. 把"记号笔"（top 游标）往下移动一格。

  4. 把刚才记在心里的数据交出去。

    int stackPop(Stack* s)
    {
    if (stackIsEmpty(s))
    {
    printf("出栈失败，栈是空的\n");
    return -1;
    }

    复制代码 
     //先把栈顶的数据拿出来存到一个临时变量里
 int popValue = s->data[s->top];
 s->top--;//游标往下走一格，代表原来的栈顶元素被"抛弃"了
 return popValue;//把取出的数据返回给调用者

    }

注意看第三步 s->top--;。我们有没有去写类似 s->data[s->top] = 0; 这样的代码去清空内存？没有！ 在底层的数组里，那个被弹出的数据其实 还在原来的位置待着。但是，对于我们这个栈来说，它已经"不存在"了。 因为栈的所有操作都只认 top 这个游标。游标降下去了，就算那个内存里还有旧数据，下次我们执行 Push 的时候，top++ 会再次指向上来，用新的数据无情地覆盖掉它。 这种做法极大地提升了程序的运行效率，因为我们省去了清理内存的无用功。

7.销毁栈

复制代码 
void stackDestroy(Stack* s)
{
	if (s->data != NULL)
	{
		free(s->data);
		s->data = NULL;
	}

	//把游标和容量都恢复到初始状态
	s->top = -1;
	s->capacity = 0;
	printf("栈成功销毁\n");
}

8.拓展（实现扩容版本）

有人会想当满了以后我们其实可以对栈扩容，这样就需要用到realloc

可以把realloc 想象成一家提供"无缝换大房"服务的搬家公司。 它的用法是：realloc(旧房子的钥匙, 新房子需要的总大小)。

它在底层会做三件事：去内存里找一块你要求的新大小 的空间。自动把你旧空间里的数据原封不动地搬过去 。自动把旧空间销毁（free），然后把新空间的钥匙交给你。

我们也仅仅需要更改一下我们的入栈函数

复制代码 
void stackPush(Stack* s, int value)
{
	if (stackIsFull(s))
	{
		int newCapacity = s->capacity * 2;
		//我们要先用一个临时钥匙 (newData) 来接新房子的钥匙
		int* newData = (int*)realloc(s->data, newCapacity * sizeof(int));

		if (newData == NULL)
		{
			perror("realloc failed");
			return;//放弃这次入栈
		}

		s->data = newData;
		s->capacity = newCapacity;
		printf("栈已扩容，新容量为:%d\n", s->capacity);
	}

	//移动游标并赋值
	s->top++;
	s->data[s->top] = value;
	printf("入栈成功:%d\n", value);
}

9.完整代码

Stack.h

复制代码 
#pragma once

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

typedef struct
{
	int capacity;//薯片桶的长度（最大容量）
	int top;//记录当前位置
	int* data;//真正放薯片的空间（指针）
}Stack;

//初始化栈
void stackInit(Stack* s, int capacity);
//判断栈是否已满（辅助函数）
bool stackIsFull(Stack* s);
//入栈
void stackPush(Stack* s, int value);
//判断栈是否为空（辅助函数）
bool stackIsEmpty(Stack* s);
//出栈
int stackPop(Stack* s);
//销毁栈
void stackDestroy(Stack* s);

Stack.c

复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include "Stack.h"

// s 代表我们要操作的那个栈（通过指针传进来）
// capacity 是用户告诉我们，这个栈要多大
void stackInit(Stack* s, int capacity)
{
	s->data = (int*)malloc(capacity * sizeof(int));

	if (s->data == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
		exit(1);//强行退出
	}

	s->top = -1;//说明现在是空的
	s->capacity = capacity;//记住最大容量
	printf("成功初始化栈\n");
}

bool stackIsFull(Stack* s)
{
	// 逻辑：如果游标 top 已经到了数组的最后一个合法下标，就是满了。
	// 因为数组下标从 0 开始，所以最大容量为 capacity 时，最后一个下标是 capacity - 1。
	if (s->top == s->capacity - 1)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

void stackPush(Stack* s, int value)
{
	if (stackIsFull(s))
	{
		int newCapacity = s->capacity * 2;
		//我们要先用一个临时钥匙 (newData) 来接新房子的钥匙
		int* newData = (int*)realloc(s->data, newCapacity * sizeof(int));

		if (newData == NULL)
		{
			perror("realloc failed");
			return;//放弃这次入栈
		}

		s->data = newData;
		s->capacity = newCapacity;
		printf("栈已扩容，新容量为:%d\n", s->capacity);
	}

	//移动游标并赋值
	s->top++;
	s->data[s->top] = value;
	printf("入栈成功:%d\n", value);
}

bool stackIsEmpty(Stack* s)
{
	// 逻辑：如果游标 top 还是当初初始化的 -1，说明里面一个数据都没有
	if (s->top == -1)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

int stackPop(Stack* s)
{
	if (stackIsEmpty(s))
	{
		printf("出栈失败，栈是空的\n");
		return -1;
	}

	//先把栈顶的数据拿出来存到一个临时变量里
	int popValue = s->data[s->top];
	s->top--;//游标往下走一格，代表原来的栈顶元素被"抛弃"了
	return popValue;//把取出的数据返回给调用者
}

void stackDestroy(Stack* s)
{
	if (s->data != NULL)
	{
		free(s->data);
		s->data = NULL;
	}

	//把游标和容量都恢复到初始状态
	s->top = -1;
	s->capacity = 0;
	printf("栈成功销毁\n");
}

test.c

复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include "Stack.h"

int main()
{
	Stack myStack;
	stackInit(&myStack, 3);

	stackPush(&myStack, 10);
	stackPush(&myStack, 20);
	stackPush(&myStack, 30);
	stackPush(&myStack, 40);

	while (!stackIsEmpty(&myStack))
	{
		printf("出栈数据：%d\n", stackPop(&myStack));
	}
	stackPop(&myStack);

	stackDestroy(&myStack);
	return 0;
}
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