Stack by pointer

Posted 2020-10-12 仪式黑刃

前言：因为栈的很多操作是基于表的，所以这篇文章里的例程就不再大面积地写注释了，有不理解的地方可以翻看之前的链表笔记，或者直接写在评论区。

 

咳咳，说到这个栈，很多人乍听之下感觉很陌生、卧槽这是什么玩意。其实生活中随处可见，在一些小餐馆，客人不多的时候，椅子都是放成一摞的，一个叠一个。有客人来了就搬下来一把——肯定是搬最上面那一把，没人会从下面搬凳子吧2333   用完之后从上面再叠放上去，这是一个例子。 刷知乎或者看网页的时候需要返回，我们按一下，就跳转到上一个页面了，那这是怎么做的呢？我们用直觉考虑一下，应该是浏览器把每一次操作的结果都保存下来，要返回的时候，就把当前层移除——移除的是最新的那一层。如果有新的跳转或者其他操作，就依次叠放到之前最新的上面。类似的，主流的文本编辑器也都支持撤销操作，我们的编辑操作被记录在一个栈中，一旦出现误操作，只需要按下撤销（一般是control+z）按钮，就可以取消最近的一次操作，并回到之前的状态。

 

而我们在写程序的时候会涉及到不同函数之间的相互调用，被调函数（callee）执行完后，把权限返还给主调函数（caller）这也用到了“栈”这种结构。许多程序语言本身就是建立于栈结构上的，比如Postscript和Java运行环境都是基于栈结构的虚拟机。

 

我们再联系上一节提到的那个“free list”，可以很明显的感到一个性质：这些行为的次序，都是增加的时候从最新的那一端增加，要移除的时候，往往是把“最后移动的元素”首先给拿出去。这就叫后进先出（Last   In  First Out）。而且相对于一般的序列结构，它的数据操作范围都仅限于整个表的末端。

 

对栈的基本操作有Push（进栈or压栈）和Pop（出栈），前者相当于插入，后者则是删除最后的元素。

这是一个进行若干操作后的抽象栈，一般的模型是存在某个元素位于栈顶，而这是唯一的可见元素。不过这样说可能有点不好理解，那比如说一摞椅子。

 

这就可以视作一个栈，为了维持这一放置形式，对这个栈的操作只能在顶部实施：新的椅子只能叠放到最顶端；反过来只有最顶端的椅子才能被取走。因此和这个实例相比照，栈中可操作的一端被叫做栈顶，而另外一个无法操作的盲端被称为栈底。

 

就像这样。

 

因为栈是一个表，所以任何实现表的方法都能实现栈，这次就说一下好理解的的指针实现吧，比数组貌似好理解一些。用单链表实现的话，我们要通过在表顶端插入来实现Push，通过删除顶端元素实现Pop。而Top操作仅仅是返回顶端元素的值。不过在很多时候都是把Pop和Top合二为一的。本来可以用前一节的代码段，不过为了清楚起见，还是从头开始写吧

 

和之前一样，先给出一些前提性声明，实现栈同样要用到表头。

1 struct Node;
2 typedef struct Node *PtrToNode;
3 typedef PtrToNode Stack;
4 struct Node{
5     int Element;
6     PtrToNode Next;
7 };

 

测试空栈与测试空表的方式一样。

1 int IsEmpty(Stack i){
2     return i->Next==NULL;
3 }

 

 

创建一个栈的话也很简单，只需要建立一个头结点就好。

 1 Stack Creat(){
 2     Stack S;
 3     S=(Stack)malloc(sizeof(struct Node));
 4     if(S==NULL)
 5         printf("out of space!!!");
 6     else
 7         S->Next=NULL;
 8     MakeEmpty(S);
 9     return S;
10 }

 

 

现在是中场问答时间，我们创建一个栈之后，里面会有什么？就是仅仅申请一块内存，然后什么也不做。里面会有——

 

垃圾数据，对吧。这是上学期的知识，声明一个变量后，系统会随机填充一段数据，我们不知道里面是什么，但是，我们能确定一点——这东西十有八九不是我们所期望的，因此我们需要把它扔掉。这就是MakeEmpty的意义。

1 void MakeEmpty(Stack S){
2     if(S==NULL)
3        printf("Must creat a stack first");
4     else
5         while(!IsEmpty(S))
6             Pop(S);
7 }

 

关于这个Pop函数是什么，emmm接着往后看吧，你看这涉及到了函数间的相互调用，就是运用了栈的特性。还有一个好玩的事实，就是——我们在写一个栈的时候已经用到了栈的环境，用栈来写栈，这就陷入递归了233  从这个角度再次理解一下递归吧，毕竟理解递归是筛选合格程序员的一道门槛。

 

创建之后就该讨论对栈的各项操作了，主要就三个：出栈，入栈和取栈顶元素。先说入，有入才有出嘛，Push是作为向链表前端进行插入而实现的，其中表的前端作为栈顶。所以实现起来也很顺畅

 

 1 void Push(int X,Stack S){
 2     Stack TemCell;
 3     TemCell=(Stack)malloc(sizeof(S));
 4     if(S==NULL) printf("Out of space!!!");
 5     else{
 6         TemCell->Element=X;
 7         TemCell->Next=S->Next;
 8         S->Next=TemCell;
 9     }
10 }

 

这里提一句，S是表头，里面什么都不存，而第一个有效元素是S->Next，原因是S仅作为一个地址说明，告诉我们第一个有效元素“在哪”，我们不可能指望S存数据，不然的话，谁来告诉我们这个栈的顶在哪呢？这很重要，理解这个观点是看懂下面所有函数的基础，是重中之重。

 

 

接着说取栈顶元素，Top的实施是通过考察整个表在第一个位置上的元素而完成的，也就是把Head的元素返回

1 int Top(Stack S){
2     if(!IsEmpty(S))
3         return S->Next->Element;
4     printf("Empty stack");
5     return 0;
6 }

 

最后，Pop是通过删除表的前端元素而实现的。

 1 void Pop(Stack S) {
 2     PtrToNode FirstNode;
 3     if(IsEmpty(S))
 4         printf("Empty stack");
 5     else{
 6         FirstNode=S->Next;
 7         S->Next=S->Next->Next;
 8         free(FirstNode);
 9     }
10 }

 

到这里，已经很清楚了，所有的操作均花费常数时间，因为这些函数没有任何地方涉及到栈的size，更不用说依赖于size的循环了。但是这种实现方法的缺点在于对malloc和free的调用开销是昂贵的。避免这个缺点的方法就是用数组实现，具体的实现方法以后会说到，在后面几篇文章里会详细讨论栈的应用和数组实现。

 

下面写了一个测试程序

  

  1 #include <stdio.h>
  2 #include <stdlib.h>
  3 struct Node;
  4 typedef struct Node *PtrToNode;
  5 typedef PtrToNode Stack;
  6 struct Node{
  7     int Element;
  8     PtrToNode Next;
  9 };
 10 //函数签名
 11 int IsEmpty(Stack i);
 12 void Push(int X,Stack S);
 13 int Top(Stack S);
 14 void Pop(Stack S);
 15 void MakeEmpty(Stack S);
 16 Stack Creat();
 17 void Traverse(Stack S);
 18 
 19 //入口
 20 int main(){
 21     Stack S;
 22     S=Creat();
 23     int n;
 24     printf("Please input all elements to complete a stack,finished by 0\\n");
 25     while (scanf("%d",&n)&&n)
 26         Push(n, S);
 27     Traverse(S);
 28     printf("Input imperative(1:top\\t2:remove\\t3:add),0 to quit\\n");
 29     while (scanf("%d",&n)&&n) {
 30         if (n==1)
 31             printf("Top element:%d\\n",Top(S));
 32         else if(n==2){
 33             Pop(S);
 34             Traverse(S);
 35         }
 36         else if(n==3){
 37             printf("number:");
 38             scanf("%d",&n);
 39             Push(n, S);
 40             Traverse(S);
 41         }
 42         else
 43             printf("Input again,it is invalid");
 44     }
 45 }
 46 
 47 //接口内部一览
 48 int IsEmpty(Stack i){
 49     return i->Next==NULL;
 50 }
 51 void Push(int X,Stack S){
 52     Stack TemCell;
 53     TemCell=(Stack)malloc(sizeof(S));
 54     if(S==NULL) printf("Out of space!!!");
 55     else{
 56         TemCell->Element=X;
 57         TemCell->Next=S->Next;
 58         S->Next=TemCell;
 59     }
 60 }
 61 
 62 int Top(Stack S){
 63     if(!IsEmpty(S))
 64         return S->Next->Element;
 65     printf("Empty stack");
 66     return 0;
 67 }
 68 
 69 void Pop(Stack S) {
 70     PtrToNode FirstNode;
 71     if(IsEmpty(S))
 72         printf("Empty stack");
 73     else{
 74         FirstNode=S->Next;
 75         S->Next=S->Next->Next;
 76         free(FirstNode);
 77     }
 78 }
 79 void MakeEmpty(Stack S){
 80     if(S==NULL)
 81         printf("Must creat a stack first");
 82     else
 83         while(!IsEmpty(S))
 84             Pop(S);
 85 }
 86 Stack Creat(){
 87     Stack S;
 88     S=(Stack)malloc(sizeof(struct Node));
 89     if(S==NULL)
 90         printf("out of space!!!");
 91     else
 92         S->Next=NULL;
 93     MakeEmpty(S);
 94     return S;
 95 }
 96 void Traverse(Stack S){
 97     for (; S->Next; S=S->Next) {
 98         printf("%d->",S->Next->Element);
 99     }
100     printf("NULL\\n");
101 }

完整代码（已测试）

 

然后自己调试一下吧，这会加深你对栈的理解的，祝食用愉快～