C语言实现顺序栈以及栈的特点

什么是栈？

同顺序表和链表一样，栈也是用来存储逻辑关系为 “一对一” 数据的线性存储结构，如下图所示。

从上图我们看到，栈存储结构与之前所学的线性存储结构有所差异，这缘于栈对数据 “存” 和 “取” 的过程有特殊的要求：

栈只能从表的一端存取数据，另一端是封闭的，如上图所示；

在栈中，无论是存数据还是取数据，都必须遵循"先进后出"的原则，即最先进栈的元素最后出栈。拿上图的栈来说，从图中数据的存储状态可判断出，元素 1 是最先进的栈。因此，当需要从栈中取出元素 1 时，根据"先进后出"的原则，需提前将元素 3 和元素 2 从栈中取出，然后才能成功取出元素 1。

因此，我们可以给栈下一个定义，即栈是一种只能从表的一端存取数据且遵循 “先进后出” 原则的线性存储结构。

通常，栈的开口端被称为栈顶；相应地，封口端被称为栈底。因此，栈顶元素指的就是距离栈顶最近的元素，拿下图来说，栈顶元素为元素 4；同理，栈底元素指的是位于栈最底部的元素，下图中的栈底元素为元素。

进栈和出栈

基于栈结构的特点，在实际应用中，通常只会对栈执行以下两种操作：

向栈中添加元素，此过程被称为"进栈"（入栈或压栈）；
从栈中提取出指定元素，此过程被称为"出栈"（或弹栈）；

栈的具体实现

栈是一种 “特殊” 的线性存储结构，因此栈的具体实现有以下两种方式：

顺序栈：采用顺序存储结构可以模拟栈存储数据的特点，从而实现栈存储结构；
链栈：采用链式存储结构实现栈结构；

两种实现方式的区别，仅限于数据元素在实际物理空间上存放的相对位置，顺序栈底层采用的是数组，链栈底层采用的是链表。有关顺序栈和链栈的具体实现会在后续章节中作详细讲解。

顺序栈基本操作

顺序栈，即用顺序表实现栈存储结构。通过前面介绍我们知道，使用栈存储结构操作数据元素必须遵守 “先进后出” 的原则，下面就 “如何使用顺序表模拟栈以及实现对栈中数据的基本操作（出栈和入栈）” 给大家做一些介绍。

如果你仔细观察顺序表（底层实现是数组）和栈结构就会发现，它们存储数据的方式高度相似，只不过栈对数据的存取过程有特殊的限制，而顺序表没有。

例如，我们先使用顺序表（a 数组）存储{1,2,3,4}，存储状态如下图所示：

同样，使用栈存储结构存储 {1,2,3,4}，其存储状态如下图所示：
在这里插入图片描述

通过上面两张图对比不难看出，使用顺序表模拟栈结构很简单，只需要将数据从 a 数组下标为 0 的位置依次存储即可。

从数组下标为 0 的模拟栈存储数据是常用的方法，从其他数组下标处存储数据也完全可以，这里只是为了方便初学者理解。

了解了顺序表模拟栈存储数据后，接下来看如何模拟栈中元素出栈的操作。由于栈对存储元素出栈的次序有"先进后出"的要求，如果想将图中存储的元素 1 从栈中取出，需先将元素 4、元素 3 和元素 2 依次从栈中取出。

这里给出使用顺序表模拟栈存储结构常用的实现思路，即在顺序表中设定一个实时指向栈顶元素的变量（一般命名为 top），top 初始值为 -1，表示栈中没有存储任何数据元素，及栈是"空栈"。一旦有数据元素进栈，则 top 就做 +1 操作；反之，如果数据元素出栈，top 就做 -1 操作。

顺序栈元素"入栈"

比如，还是模拟栈存储{1,2,3,4} 的过程。最初，栈是"空栈"，即数组是空的，top 值为初始值 -1，如下图所示：
在这里插入图片描述
首先向栈中添加元素 1，我们默认数组下标为 0 一端表示栈底，因此，元素 1 被存储在数组 a[1] 处，同时 top 值 +1，如下图所示：

采用以上的方式，依次存储元素 2、3 和 4，最终，top 值变为 3，如下图所示：
在这里插入图片描述

因此，C 语言实现代码为：

//元素elem进栈，a为数组，top值为当前栈的栈顶位置
int push(int* a,int top,int elem){
    a[++top]=elem;
    return top;
}

代码中的 a[++top]=elem，等价于先执行 ++top，再执行 a[top]=elem。

顺序栈元素"出栈"

其实，top 变量的设置对模拟数据的 “入栈” 操作没有实际的帮助，它是为实现数据的 “出栈” 操作做准备的。

比如，将上图中的元素 2 出栈，则需要先将元素 4 和元素 3 依次出栈。需要注意的是，当有数据出栈时，要将 top 做 -1 操作。因此，元素 4 和元素 3 出栈的过程分别如下图a) 和下图b) 所示：
在这里插入图片描述

注意，上图数组中元素的消失仅是为了方便初学者学习，其实，这里只需要对 top 值做 -1 操作即可，因为 top 值本身就表示栈的栈顶位置，因此 top-1 就等同于栈顶元素出栈。并且后期向栈中添加元素时，新元素会存储在类似元素 4 这样的旧元素位置上，将旧元素覆盖。

元素 4 和元素 3 全部出栈后，元素 2 才能出栈。因此，使用顺序表模拟数据出栈操作的 C 语言实现代码为：

//数据元素出栈
int pop(int * a,int top){
    if (top==-1) {
        printf("空栈");
        return -1;
    }
    printf("弹栈元素：%d\n",a[top]);
    top--;
    return top;
}

代码中的 if 语句是为了防止用户做 “栈中已无数据却还要数据出栈” 的错误操作。代码中，关于对栈中元素出栈操作的实现，只需要 top 值 -1 即可。

以上就是本次给大家分享的利用C语言简单的实现顺序栈以及向大家介绍了栈的特点，完整的代码已经上传到github,C语言实现顺序栈欢迎大家Star ! 想要了解其他相关数据结构算法实现的小伙伴也可以来我的博客MyBlog,我们一起交流，一起进步啊！

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