数据结构：栈（C语言描述）

Posted 2021-08-05 知道什么是码怪吗？

这一篇文章我们谈谈栈。（以下仅代表个人观点，代码和内容有错请指正）

主要内容：动态栈的创建初始化、数据入栈、数据出栈、获取栈顶元素、清空栈内元素、获取栈内元素个数、检测栈是否为空、栈扩容和断言、栈的几个应用。

我认为栈这种数据结构要说的不是很多，主要就是先进后出这种思想。栈也是一种线性表，既然是线性表那么就有线性表的两种表达形式：顺序栈和链式栈（两者的区别在于存储的数据元素在物理结构上是否是相互紧挨着的）。顺序栈存储元素预先申请连续的存储单元；链式栈有需要才申请，数据元素不紧挨着。我们平时浏览网页返回上一个页面就是一个类似的栈结构，程序代码的执行顺序也是利用了这一种结构来执行。话不多说，我们直接步入正题。

①扩容和断言：

首先对以下代码当中出现的assert()函数和realloc()函数做一个简单的介绍。

断言介绍：字太多了我这里就放图片了，也方便保存图片。不用看完，简单知道用处就行，本篇文章我只用断言放在函数入口对参数进行合法性的检查。

报错时显示情况：assert(0); 这句代码报错情况如下

会显示错误在第几行和文件路径。

realloc()函数介绍：

该函数有两个参数：第一个为原指针的地址，第二个为分配的空间大小。如下面这一句代码举例：

stack->array=(Typement*)realloc(stack->array,sizeof(Typement)*(stack->capacity*2));

realloc()函数可以实现分配内存减小和扩大的功能，我们这里只讨论扩大的情况。

扩大有以下情况：
（1）如果当前内存段后面有足够的空闲空间供我们使用，则直接扩展这段内存空间，realloc()将返回原指针。
（2）如果当前内存段后面的空闲空间不够，那么就使用堆中的第一个能够满足这一要求的内存块，将目前的数据复制到新的位置，并将原来的数据块释放掉，返回新的内存块位置。
（3）如果申请失败，将返回NULL，此时，原来的指针仍然有效。
 

②结构体及宏定义如何定义：

写栈的方式有很多种，我这里列举几个比较经典的方式。以下所有功能均用第一种方式的代码实现。

第一种方式（顺序栈）：结构体当中定义的是一个int类型的指针方便后期扩容，这种方法实质上还是利用了数组实现栈，只不过可以利用指针动态扩容。

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
typedef int Typement;//宏定义实现简单的多态 
typedef struct Stack{
	
	Typement  *array;//这里相当于定义了一个int类型的数组  
	int top;//顶部元素下标 
	int bottom;//底部元素下标
	int capacity;//表示总的栈节点 

}SK; 

第二种方式（链式栈）：这一种方式将栈内节点和栈的信息分开用两个结构体存放。

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
typedef int Typement;//宏定义实现简单的多态
typedef struct Node{//栈内节点
    Typement Element;
    struct Node *next;
}ND;

typedef struct Stack{//栈的结构体
    ND top;        
    ND bottom;
}SK;

第三种方式（顺序栈）：和第一种方式十分相似，只不过创建的是一个静态栈。

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
#define MAX 100;
typedef int Typement;//宏定义实现简单的多态 
typedef struct Stack{
	
	Typement  stack[MAX];//静态栈定义的一个数组  
	int top;//顶部元素下标 
	int bottom;//底部元素下标
	int capacity;//表示总的栈节点 

}SK; 

③栈的初始化：

初始化一个栈，即将指向顶部元素的top赋值为0，指向底部元素的bottom也赋值为0，表示栈内总节点的capacity赋值为1。值得我们注意的是，栈的top实际上指向的是栈顶元素的下一个元素（即即将入栈的元素存放的位置）。初始化的时候栈为空，不包含一个元素（只有一个可供存放的节点）。

void InitStack(SK *stack){//初始化栈 
	
	assert(stack);//断言检测地址是否合法 
	
	stack->array=(Typement*)malloc(sizeof(Typement)); //给指针分配内存 
	stack->top=0;//初始化时顶部为下标为0的节点 
	stack->bottom=0;//底部也为下标为0的节点 
	stack->capacity=1;//初始化时可以用的栈节点只有1个 
	
} 

④数据入栈：

数据入栈我们要注意判断栈内是否还有可用的空间，如果没有空间可以使用我们需要对栈进行扩容，然后将数据放入栈内，top的值加1指向下一个即将存放数据的节点下标。

void PushStack(SK *stack,Typement number){//数据入栈 
	
	assert(stack);//断言检测地址是否合法 
	
	if( stack->top >= stack->capacity ){/*如果指向顶部游标大于等于了总的栈节点，就表示栈满了，需要扩容 */	

		stack->array=(Typement*)realloc(stack->array,sizeof(Typement)*(stack->capacity*2)); //对栈进行扩容 

		/*扩容这点还隐藏了一个细节，如果当前指针后面的空闲内存足够多，就依旧是原来的地址 
		如果不满足会分配一个新的地址,所以需要再次检验地址是否合法*/ 

		assert(stack->array); 
		stack->capacity=stack->capacity*2;//扩大总栈节点个数 
	}
	
	stack->array[stack->top++]=number; //数据入栈 
} 

⑤数据出栈：

数据出栈我们要注意判断栈是否为空。

void PopStack(SK *stack){//数据出栈 
	
	assert(stack->array);
	if(stack->top<0){//如果栈的顶部元素下标小于0，栈为空，没有节点可以出栈。 
		return; 
	}
	
	/*顶部节点指向顶部下方一个节点，最上面的就出栈了，但是其数据还是存在
	只不过是指向节点的游标改变了。*/ 

	stack->top--; 
}

⑥获取栈顶元素数据：

int GetTopStack(SK *stack){//获取栈顶元素 
	assert(stack->array);
	
	if(stack->top<0){//如果栈的顶部元素下标小于0，栈为空没有元素可以取。 
		return NULL;
	}
	
	return stack->array[stack->top-1];//在这个栈当中，top指向的是栈顶节点的下一个节点，即下一个准备入栈元素的节点位置。 
} 

⑦清空栈：

void EmptyStack(SK *stack){//清空栈里所有元素
	
	assert(stack->array); 
	free(stack->array);//简单的清空数据只需要把top等于bottom即可,释放内存更好。 
	InitStack(stack);//清空栈里元素所有元素相当于初始化栈，我们先释放之前栈的内存，再初始化。 

}

⑧获取栈内总节点个数和检测栈是否为空：

int GetSizeStack(SK *stack){//获取栈内元素个数 
	assert(stack->array);
	return stack->top; 
} 

int IsEmptyStack(SK *stack){//检测栈是否为空 
	assert(stack);
	return stack->top==0? 1: 0;//三元表达式，为空返回1，不为空返回0 
}

⑨测试：

int main(){
	//测试
	SK *TextStack=(SK*)malloc(sizeof(SK));
	//初始化 
	InitStack(TextStack); 
	printf("初始化后栈是否为空（1代表为空，0代表不为空）：%d\\n",IsEmptyStack(TextStack)); 
	//数据入栈
	PushStack(TextStack,1); 
	PushStack(TextStack,2);
	PushStack(TextStack,3);
	printf("数据入栈之后栈内节点数量：%d\\n",GetSizeStack(TextStack)); 
	//数据出栈获取栈顶元素显示并输出栈内总元素个数 
	printf("数据入栈之后栈是否为空（1代表为空，0代表不为空）：%d\\n",IsEmptyStack(TextStack)); 
	
	printf("当前栈顶元素为：%d   ",GetTopStack(TextStack));
	PopStack(TextStack);
	printf("出栈之后剩余元素个数：%d\\n",GetSizeStack(TextStack));
	
	printf("当前栈顶元素为：%d   ",GetTopStack(TextStack));
	PopStack(TextStack);
	printf("出栈之后剩余元素个数：%d\\n",GetSizeStack(TextStack));
	
	printf("当前栈顶元素为：%d   ",GetTopStack(TextStack));
	PopStack(TextStack);
	printf("出栈之后剩余元素个数：%d\\n",GetSizeStack(TextStack));
	
	//判断栈是否为空 
	printf("全部出栈之后栈是否为空（1代表为空，0代表不为空）：%d\\n",IsEmptyStack(TextStack)); 
	
	//再次入栈
	PushStack(TextStack,98); 
	PushStack(TextStack,99);
	PushStack(TextStack,100);
	//测试清空栈 
	EmptyStack(TextStack); 
	printf("再次入栈清空栈之后栈是否为空（1代表为空，0代表不为空）：%d\\n",IsEmptyStack(TextStack)); 
	
	return 0;
}

测试结果显示：

⑩栈的应用：

（1）用栈实现逆波兰表达式

（2）进制转换

（3）括号匹配

（4）迷宫路径搜寻

还有很多应用就不一一列举了。