数据结构：栈的实现(C实现)

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前言

栈：一种特殊的线性结构，其只允许在一端进行插入，删除数据。允许操作数据的一端被称为栈顶，另一端被称为栈底。
本篇博客将要实现的是数组栈。

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一、栈的实现思路

对于栈的特殊性，用数组(在数组尾部插入删除数据) 和 链表(头插头删数据)实现栈的时间复杂度都是O(1)，难度不大。
数组栈的优劣
优

• 数组支持随机访问(用下标访问数据)，许多算法需要随机访问的支持，如二分法…
• 缓存利用率高

劣

• 空间不够时要扩容
• 有时会造成空间浪费

1. 结构的定义

栈的结构非常简单
一个指向动态开辟空间的指针，一个记录实际空间大小的变量，一个记录栈顶元素的下标即可。

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
    
    
	STDataType* data;
	int top;//栈顶下标
	int capacity;//空间大小
}Stack;

2. 初始化栈(StackInit)

data指针指向动态开辟的空间，capacity记录此时空间大小，top置为0。

• top 置0，表示栈顶数据将要插入的位置。
• top 置-1，表示此时栈顶数据的位置。

这里，采用top 置0。

//初始化栈

#define SIZE 4

void StackInit(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);

	ps->data = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * SIZE);
	if (ps->data == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}

	ps->top = 0;
	ps->capacity = SIZE;
}

3. 入栈(StackPush)

因为top初始化为0，所以直接在top下标处入数据即可。但要注意，在入数据前要检查容量，如果top == capacity 要扩容。

• 此处检查容量的操作，可以封装成一个函数，但没必要，因为栈的操作只有入栈要检查容量，其它的操作并不需要检查容量，封装成一个函数反而效率减低了(函数的调用要形成函数栈帧)。

//入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType x)
{
    
    
	assert(ps);

	if (ps->top == ps->capacity)
	{
    
    
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->data, sizeof(STDataType) * (ps->capacity * 2));
		if (tmp == NULL)
		{
    
    
			perror("realloc");
			exit(-1);
		}

		ps->data = tmp;
		ps->capacity *= 2;
	}

	ps->data[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

4. 出栈(StackPop)

top 表示的是栈顶数据将要入栈的位置，那么出栈操作，只需要让top 减 1即可。(下次入栈数据会直接覆盖)
但要注意，top = 0 时，表示栈内没有数据，不能进行出栈操作。

• 出栈操作不能获取数据

//出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);
	assert(ps->top != 0);

	ps->top--;
}

5. 获取栈顶元素(StackTop)

top 指向的是数据将要入栈的位置，也就是栈顶数据的下一个位置。
那么要获取栈顶数据，只需要读取top - 1处即可。但要注意，如果top = 0，那么top - 1 = -1，会越界访问，所以top = 0 时，不能获取栈顶元素。

//获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	
	return ps->data[ps->top - 1];
}

6. 检查栈是否为空(StackEmpty)

top 指向的是数据将要入栈的位置，其数值也表示栈内数据个数。
所以我们只需要进行 top == 0 的判断，即可知道栈是否为空。

//检查栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}

7. 销毁栈(StackDestroy)

free掉动态开辟的空间，使capacity 置 0，top 置 0。

//销毁栈
void StackDestroy(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);

	free(ps->data);
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}

二、代码实现

Stack.h 文件存放的是函数的声明，头文件的引用，结构体的定义
Stack.c 文件存放的是函数的实现

//Stack.h  文件

#pragma once

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

#define SIZE 4

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
    
    
	STDataType* data;
	int top;
	int capacity;
}Stack;


//初始化栈
void StackInit(Stack* ps);

//入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType x);

//出栈
void StackPop(Stack* ps);

//获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* ps);

//检查栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps);

//销毁栈
void StackDestroy(Stack* ps);

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//Stack.c  文件


#include "Stack.h"

//初始化栈
void StackInit(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);

	ps->data = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * SIZE);
	if (ps->data == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}

	ps->top = 0;
	ps->capacity = SIZE;
}


//入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType x)
{
    
    
	assert(ps);

	if (ps->top == ps->capacity)
	{
    
    
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->data, sizeof(STDataType) * (ps->capacity * 2));
		if (tmp == NULL)
		{
    
    
			perror("realloc");
			exit(-1);
		}

		ps->data = tmp;
		ps->capacity *= 2;
	}

	ps->data[ps->top] = x;
	ps->top++;
}



//出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);
	assert(ps->top != 0);

	ps->top--;
}



//获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	
	return ps->data[ps->top - 1];
}


//检查栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}



//销毁栈
void StackDestroy(Stack* ps)
{
    
    
	assert(ps);

	free(ps->data);
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}

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总结

以上就是我对于栈的实现。