【附C语言源码】C语言 栈结构 实现及其扩展操作

【附C语言源码】基于链表实现的C语言栈结构及其扩展操作

栈作为一种基础的数据结构，在表达式求值、函数调用、深度优先搜索等场景中均有广泛应用。

设计思路

数据结构的选取

栈的实现通常有两种方式：顺序栈（数组）和链式栈（链表）。本实现选择链表方案，主要基于以下考量：

1. 动态扩容：链表无需预先分配固定容量，避免了数组扩容时的数据迁移开销
2. 内存利用：节点按需分配，不存在数组尾部的闲置空间
3. 操作一致性：入栈出栈均为O(1)时间复杂度，与顺序栈持平

结构定义

typedef int Data;

struct Node {
    Data node_data;
    struct Node* next;
};

struct Stack {
    Node* top;
    int size;
};

此处将Data定义为int的别名，若后续需要存储其他类型数据，仅需修改此处 typedef 即可，无需改动接口实现。Stack结构体中维护size字段，使得获取栈元素数量的操作从O(n)降至O(1)。

核心操作实现

内存管理

创建栈时使用calloc而非malloc，确保指针字段初始化为NULL：

Stack* creatStack(void) {
    Stack* stack = (Stack*)calloc(1, sizeof(Stack));
    if (!stack) return NULL;
    stack->top = NULL;
    stack->size = 0;
    return stack;
}

销毁栈时需先释放所有节点，再释放栈结构本身，避免内存泄漏：

void destroyStack(Stack* stack) {
    if (!stack) return;
    clear(stack);   // 遍历释放节点
    free(stack);
}

入栈与出栈

入栈操作采用头插法，新节点直接插入栈顶：

void push(Stack* stack, Data val) {
    if (!stack) return;
    Node* newNode = (Node*)calloc(1, sizeof(Node));
    if (!newNode) return;
    newNode->node_data = val;
    newNode->next = stack->top;
    stack->top = newNode;
    stack->size++;
}

出栈时保存栈顶指针，更新栈顶后释放原节点：

void pop(Stack* stack) {
    if (!stack || !stack->top) return;
    Node* temp = stack->top;
    stack->top = stack->top->next;
    free(temp);
    stack->size--;
}

所有操作均包含空指针检查，增强代码的健壮性。

扩展操作的设计与实现

除基础操作外，本实现还提供了若干扩展功能，以下对其设计思路进行说明。

栈的复制

复制操作需要保持原栈的顺序不变。直接遍历原栈并依次压入新栈会导致顺序反转，因此引入临时栈作为中转：

void copyStack(Stack* src, Stack* dest) {
    clear(dest);
    Stack* tempStack = creatStack();
    
    // 第一次反转：原栈 -> 临时栈
    Node* curNode = src->top;
    while (curNode) {
        push(tempStack, curNode->node_data);
        curNode = curNode->next;
    }
    
    // 第二次反转：临时栈 -> 目标栈
    while (!isEmpty(tempStack)) {
        push(dest, getAndPop(tempStack));
    }
    
    destroyStack(tempStack);
}

该算法的时间复杂度为O(n)，空间复杂度为O(n)，由临时栈的额外开销所致。

栈的反转

反转操作同样借助临时栈完成。将原栈元素全部弹出并压入临时栈，此时顺序已反转，再移回原栈即可：

void reverseStack(Stack* stack) {
    if (!stack || !stack->top || !stack->top->next) return;
    
    Stack* tempStack = creatStack();
    while (!isEmpty(stack)) {
        push(tempStack, getAndPop(stack));
    }
    while (!isEmpty(tempStack)) {
        push(stack, getAndPop(tempStack));
    }
    destroyStack(tempStack);
}

栈顶元素交换

该操作仅需两次出栈和两次入栈：

void swapTopTwo(Stack* stack) {
    if (!stack || stack->size < 2) return;
    Data first = getAndPop(stack);
    Data second = getAndPop(stack);
    push(stack, first);
    push(stack, second);
}

此处利用栈的后进先出特性，天然地实现了两个元素的交换。

测试用例

main函数中设计了一系列测试场景，覆盖以下验证点：

• 连续入栈后栈大小的正确性
• 栈顶元素的读取与出栈
• getAndPop的组合操作
• swapTopTwo对栈状态的影响
• copyStack后两栈的独立性
• reverseStack的顺序反转效果
• clear与destroyStack的内存释放

测试输出示例：

C:\Users\anjuxi\Desktop\C语言 栈库>a.exe
入栈：1, 2, 3, 4, 5
当前栈（从栈顶到栈底）：5 4 3 2 1
栈大小：5

栈顶元素：5
栈大小：5

出栈一次
当前栈（从栈顶到栈底）：4 3 2 1
栈大小：4

获取并出栈：4
当前栈（从栈顶到栈底）：3 2 1
栈大小：3

交换栈顶两个元素
当前栈（从栈顶到栈底）：2 3 1
栈大小：3

复制栈到stack2
stack2（从栈顶到栈底）：2 3 1
stack2大小：3

反转stack2
stack2反转后（从栈顶到栈底）：2 3 1
stack2大小：3

清空stack
stack是否为空：是
stack大小：0

栈已销毁

总结

本文实现了一套完整的链式栈结构，主要特点包括：

1. 通过typedef实现数据类型的快速切换
2. 维护size字段以优化查询性能
3. 全面的空指针检查，提升接口安全性
4. 基于临时栈的算法设计，解决复制与反转问题

完整代码已开源，可根据实际需求进行裁剪或扩展。

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⚠️源码地址：https://github.com/anjuxi/C-stack_library