NzN的数据结构--栈的实现-编程知识

在前面我们已经学习了哪些线性数据结构呢？大家一起来回顾一下：C语言学过的数组，数据结构中的线性表和顺序表和链表。那我们今天再来介绍数据结构里的两个线性结构--栈和队列。

一、栈的概念及结构

二、用数组实现栈

1. 栈的初始化和销毁

2. 从栈顶插入数据

3. 删除栈顶元素

4. 取栈顶元素

5. 计算栈中元素的数量

6. 判断栈是否为空

三、用链表实现栈

四、两种实现对比

1. 支持操作

2. 时间效率

3. 空间效率

五、栈的应用

一、栈的概念及结构

栈：一种特殊的线性表，只允许在固定一端插入和删除元素。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。

压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶。

出栈：栈的删除操作叫做出栈，出数据也在栈顶。

二、用数组实现栈

栈的实现一般可以使用数组或链表实现，相对而言数组的结构实现更优一些。

使用数组实现栈时，我们可以将数组的尾部作为栈顶。入栈与出栈操作分别对应在数组尾部添加元素与删除元素。那我们先通过数组实现栈。

先在头文件中定义需要实现的功能接口：

//Stack.h
#pragma once
#include<stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* a;//数组实现int top;//栈顶int capacity;//栈的容量
}ST;
//栈的初始化和销毁
void STInit(ST* ps);
void STDestroy(ST* ps);
//插入(只能从栈顶插入)
void STPush(ST* ps, STDataType x);
//栈中元素的删除
void STPop(ST* ps);
//取栈顶元素
STDataType STTop(ST* ps);
//计算栈中元素的数量
int STSize(ST* ps);
//判断栈是否为空
bool STEmpty(ST* ps);

1. 栈的初始化和销毁

void STInit(ST* ps)
{assert(ps);ps->a = NULL;ps->top = 0;//top=0指向的是栈顶元素的下一个//我们也可以让top=-1，这样top就指向栈顶元素ps->capacity = 0;
}
void STDestroy(ST* ps)
{assert(ps);free(ps->a);ps->a = NULL;ps->top = 0;ps->capacity = 0;
}

2. 从栈顶插入数据

void STPush(ST* ps, STDataType x)
{assert(ps);//空间不够直接扩容if (ps->top == ps->capacity){//一开始没有给容量多大，因此需要判断int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;//ps->a为空的话，realloc相当于mallocSTDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc");exit(1);}ps->a = tmp;ps->capacity = newcapacity;}ps->a[ps->top] = x;ps->top++;
}

3. 删除栈顶元素

void STPop(ST* ps)
{assert(ps);assert(!STEmpty(ps));ps->top--;
}

4. 取栈顶元素

STDataType STTop(ST* ps)
{assert(ps);assert(!STEmpty(ps));return ps->a[ps->top - 1];
}

5. 计算栈中元素的数量

int STSize(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}

6. 判断栈是否为空

bool STEmpty(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}

三、用链表实现栈

使用链表实现栈时，我们可以将链表的头节点视为栈顶，尾节点视为栈底。

对于入栈操作，我们只需将元素插入链表头部，这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于出栈操作，只需将头节点从链表中删除即可。

实现逻辑与数组相似，因此在这里直接给出实现代码：

//基于链表实现的栈
typedef struct {ListNode *top;//将头节点作为栈顶int size;//栈的长度
} LinkedListStack;//栈的初始化
LinkedListStack *newLinkedListStack() 
{LinkedListStack *s = malloc(sizeof(LinkedListStack));s->top = NULL;s->size = 0;return s;
}//栈的销毁
void delLinkedListStack(LinkedListStack *s) 
{while (s->top) {ListNode *n = s->top->next;free(s->top);s->top = n;}free(s);
}//计算栈中元素的数量
int size(LinkedListStack *s) 
{return s->size;
}//判断栈是否为空
bool isEmpty(LinkedListStack *s) 
{return size(s) == 0;
}//从栈顶插入数据
void push(LinkedListStack *s, int num) 
{ListNode *node = (ListNode *)malloc(sizeof(ListNode));node->next = s->top;//更新新加节点指针域node->val = num;//更新新加节点数据域s->top = node;//更新栈顶s->size++;//更新栈大小
}//取栈顶元素
int peek(LinkedListStack *s) {if (s->size == 0) {printf("栈为空\n");return -1;}return s->top->val;
}//删除栈顶元素
int pop(LinkedListStack *s) 
{int val = peek(s);ListNode *tmp = s->top;s->top = s->top->next;//释放内存free(tmp);s->size--;return val;
}

四、两种实现对比

1. 支持操作

两种实现都支持栈定义中的各项操作。数组实现额外支持随机访问，但这已超出了栈的定义范畴，因此一般不会用到。

2. 时间效率

在基于数组的实现中，入栈和出栈操作都在预先分配好的连续内存中进行，具有很好的缓存本地性，因此效率较高。然而，如果入栈时超出数组容量，会触发扩容机制，导致该次入栈操作的时间复杂度变为O(N) 。

在基于链表的实现中，链表的扩容非常灵活，不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是，入栈操作需要初始化节点对象并修改指针，因此效率相对较低。不过，如果入栈元素本身就是节点对象，那么可以省去初始化步骤，从而提高效率。

综上所述，当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型时，例如int或double我们可以得出以下结论。

基于数组实现的栈在扩容时效率会降低，但由于扩容是低频操作，因此平均效率更高。
基于链表实现的栈可以提供更加稳定的效率表现。

3. 空间效率

在初始化列表时，系统会为列表分配“初始容量”，该容量可能超出实际需求；并且，扩容机制通常是按照特定倍率（例如 2 倍）进行扩容的，扩容后的容量也可能超出实际需求。因此，基于数组实现的栈可能造成一定的空间浪费。

然而，由于链表节点需要额外存储指针，因此链表节点占用的空间相对较大。

综上，我们不能简单地确定哪种实现更加节省内存，需要针对具体情况进行分析。

五、栈的应用

浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销。每当我们打开新的网页，浏览器就会对上一个网页执行入栈，这样我们就可以通过后退操作回到上一个网页。后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进，那么需要两个栈来配合实现。
程序内存管理。每次调用函数时，系统都会在栈顶添加一个栈帧，用于记录函数的上下文信息。在递归函数中，向下递推阶段会不断执行入栈操作，而向上回溯阶段则会不断执行出栈操作。