基本数据结构 -- 栈详解

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了基本数据结构 -- 栈详解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

  栈是一种后进先出的线性表,是最基本的一种数据结构,在许多地方都有应用。 

一、什么是栈

  栈是限制插入和删除只能在一个位置上进行的线性表。其中,允许插入和删除的一端位于表的末端,叫做栈顶(top),不允许插入和删除的另一端叫做栈底(bottom)。对栈的基本操作有 PUSH(压栈)POP (出栈),前者相当于表的插入操作(向栈顶插入一个元素),后者则是删除操作(删除一个栈顶元素)。栈是一种后进先出(LIFO)的数据结构,最先被删除的是最近压栈的元素。栈就像是一个箱子,往里面放入一个小盒子就相当于压栈操作,往里面取出一个小盒子就是出栈操作,取盒子的时候,最后放进去的盒子会最先被取出来,最先放进去的盒子会最后被取出来,这即是后入先出。下面是一个栈的示意图:

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二、栈的实现

  由于栈是一个表,因此任何实现表的方法都可以用来实现栈。主要有两种方式,链表实现和数组实现。

2.1 栈的链表实现

  可以使用单链表来实现栈。通过在表顶端插入一个元素来实现 PUSH,通过删除表顶端元素来实现 POP。使用链表方式实现的栈又叫动态栈。动态栈有链表的部分特性,即元素与元素之间在物理存储上可以不连续,但是功能有些受限制,动态栈只能在栈顶处进行插入和删除操作,不能在栈尾或栈中间进行插入和删除操作。

  栈的链表实现代码如下,编译环境是 win10,vs2015:

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#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "windows.h"

struct stack_node {
    int data;
    struct stack_node *next;
};

typedef struct stack_node *PtrToNode;
typedef PtrToNode Stack;

Stack create_stack();
void push_stack(Stack s, int data);
void pop_stack(Stack s);
int top_stack(Stack s);
int stack_is_empty(Stack s);

int main() 
{
    Stack stack = create_stack();        // 新建一个空栈
    int top_data,i;
    // 压栈操作,执行10次
    for (i = 0;i < 10;i++) {
        push_stack(stack, i);
    }
    // 出栈操作,执行1次
    pop_stack(stack);
    // 返回栈顶元素的值
    top_data = top_stack(stack);
    printf("%d
", top_data);

    system("pause");
}

/* 创建一个空栈 */
Stack create_stack()
{
    Stack S;

    S = (Stack)malloc(sizeof(struct stack_node));
    if (S == NULL)
        printf("malloc fair!
");
    S->next = NULL;

    return S;
}

/* PUSH 操作 */
void push_stack(Stack s,int data) 
{
    // 新建一个结点,用于存放压入栈内的元素,即新的栈顶
    PtrToNode head_node = (PtrToNode)malloc(sizeof(struct stack_node));
    if (head_node == NULL)
        printf("malloc fair!
");

    head_node->data = data;            // 添加数据
    head_node->next = s->next;        // 新的栈顶 head_node 的 next 指针指向原来的栈顶 s->next
    s->next = head_node;            // s->next 现在指向新的栈顶
}

/* POP 操作 */
void pop_stack(Stack s) 
{
    PtrToNode head_node = (PtrToNode)malloc(sizeof(struct stack_node));
    if (head_node == NULL)
        printf("malloc fair!
");

    // 先判断栈是否为空,若栈为空,则不能再进行出栈操作,报错
    if (stack_is_empty(s)) {
        printf("Error! Stack is empty!
");
    }
    else {
        head_node = s->next;            // head_node 为栈顶
        s->next = head_node->next;        // s->next 指向 head_node->next ,即新的栈顶
        free(head_node);                // 释放原来栈顶元素所占的内存
    }
}

/* 查看栈顶元素 */
int top_stack(Stack s) 
{
    if (stack_is_empty(s)) {
        printf("Error! Stack is empty!
");
        return 0;
    }
    else {
        return s->next->data;
    }
}

/* 判断栈是否为空 */
int stack_is_empty(Stack s) 
{
    return s->next == NULL;
}
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   该程序将数字 1-9 分别压栈,然后执行一次出栈操作,最后打印栈顶元素,结果为8。

 

2.2 栈的数组实现

  同样,栈也可以用数组来实现。使用数组方式实现的栈叫静态栈

  用数组实现栈很简单,每个栈都有一个 TopOfStack,用来表示栈顶在数组中的下标,对于空栈,该值为 -1(这就是空栈的初始化)。当需要压栈时,只需要将 TopOfStack 加 1,然后将数组中该下标处的值置为压入栈的值即可;出栈操作更简单,只需要将 TopOfStack 减 1 即可。需要注意的是,对空栈的 POP 操作和对满栈的 PUSH 操作都会产生数组越界并引起程序崩溃。

  栈的数组实现方法如下,编译环境是 win10,vs2015:

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#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "windows.h"

#define MinStackSize 5
#define EmptyTOS -1

struct stack_array {
    int capacity;            // 栈的容量
    int top_of_stack;        // 栈顶的下标
    int *array;                // 用于存放栈的数组
};

typedef struct stack_array *ArrayRecord;
typedef ArrayRecord Stack;

Stack create_stack(int stack_capacity);
void make_empty(Stack s);
void push_stack(Stack s, int data);
int top_stack(Stack s);
void pop_stack(Stack s);
int stack_is_empty(Stack s);
int stack_is_full(Stack s);

int main()
{
    Stack stack = create_stack(100);
    int topdata, i;
    for (i = 0;i < 10;i++) {
        push_stack(stack, i);
    }
    pop_stack(stack);
    pop_stack(stack);
    topdata = top_stack(stack);
    printf("%d
", topdata);

    system("pause");
}

/* 创建一个栈 */
Stack create_stack(int stack_capacity)
{
    Stack S;

    if (stack_capacity < MinStackSize)
        printf("Error! Stack size is too small!
");

    S = (Stack)malloc(sizeof(struct stack_array));
    if (S == NULL)
        printf("malloc error!
");

    S->array = (int *)malloc(sizeof(struct stack_array) * stack_capacity);
    if (S->array == NULL)
        printf("malloc error!
");
    S->capacity = stack_capacity;

    make_empty(S);
    return S;
}

/* 创建一个空栈 */
void make_empty(Stack s)
{
    // 栈顶的下标为 -1 表示栈为空
    s->top_of_stack = EmptyTOS;
}

/* PUSH 操作 */
void push_stack(Stack s, int data)
{
    if (stack_is_full(s)) {
        printf("Error! Stack is full!
");
    }
    else {
        s->top_of_stack++;
        s->array[s->top_of_stack] = data;
    }
}

/* POP 操作 */
void pop_stack(Stack s)
{
    if (stack_is_empty(s)) {
        printf("Error! Stack is empty!
");
    }
    else {
        s->top_of_stack--;
    }
}

/* 返回栈顶元素 */
int top_stack(Stack s)
{
    if (stack_is_empty(s)) {
        printf("Error! Stack is empty!
");
        return 0;
    }
    else {
        return s->array[s->top_of_stack];
    }
}

/* 检测栈是否为空栈 */
int stack_is_empty(Stack s)
{    
    // 栈顶的下标为 -1 表示栈为空
    return s->top_of_stack == EmptyTOS;
}


/* 检测栈是否为满栈 */
int stack_is_full(Stack s)
{
    // 栈顶的下标为 capacity - 1 表示栈满了(数组下标从 0 开始)
    return s->top_of_stack == --s->capacity;
}
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  该程序将数字 1-9 分别压栈,然后执行两次出栈操作,最后打印栈顶元素,结果为7。

 

2.3 栈的链表实现和数组实现的优缺点

  使用链表来实现栈,内存动态分配,可以不必担心内存分配的问题,但是 malloc 和 free 的调用开销会比较大。

  使用数组实现的栈,需要提前声明一个数组的大小,如果数组大小不够,则可能会发生数组越界,如果数组太大,则会浪费一定的空间。一般而言,会给数组声明一个足够大而不至于浪费太多空间的大小。除了这个问题,用数组实现的栈执行效率会比用链表来实现的高。

  这两种实现方式中,栈的操作如 PUSH、POP 均是以常数时间运行的,执行速度很快,因此,栈的执行效率通常很高。

 

三、栈的应用

  栈的应用十分广泛 ,在函数调用、中断处理、表达式求值、内存分配等操作中都需要用到栈。本文接下来描述一下栈在函数调用中的应用:

  假设有一个函数 f(),现在函数 f() 要调用函数 g() ,而函数 g() 又需要调用函数 h() 。当函数 f() 开始调用函数 g() 时,函数 f() 的所有局部变量需要由系统存储起来,否则被调用的新函数 g() 将会覆盖调用函数 f() 的变量;不仅如此,主调函数当前的位置也是需要保存的,以便被调函数执行完后知道回到哪里接着执行调用函数。同样的,函数 g() 调用函数 h() 时,g() 的相关信息也需要存储起来。在函数 h() 执行完成后,再从系统中取出函数 g()  的相关信息接着执行函数 g();当函数 g() 执行完成后,从系统中取出函数 f() 的相关信息然后接着执行函数 f()。从这里的描述中可以看到,函数调用时,调用函数的信息是存放在一个后进先出结构中的,显然,用栈来存放再好不过,用一幅图演示一下:

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参考资料:

《算法导论 第三版》

《数据结构与算法分析--C语言描述》

以上是关于基本数据结构 -- 栈详解的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

基本数据结构 -- 栈详解

JVM的基本结构及其各部分详解

疫情封校,在宿舍学习数据结构——栈(Stack)详解(实例代码&&各接口代码)

C语言链栈及基本操作(包含入栈和出栈)保姆级详解

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