从入门到深入理解——栈-编程知识

一、栈的定义

        栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。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。

栈可以这样理解：相信大家都对枪械有一定粗略的了解，咱们就用压子弹来帮助大家进行理解。

压栈，大家可以想象为压子弹，子弹是一发一发往下压，那压栈就是在容量之内一个数据一个数据往下压。

出栈，大家可以理解为子弹射出的过程，即：最后压入的子弹先出。数据最后的先出。

这就是压栈与出栈的过程，当然也可以压一个出一个，压多个出一个都可以，大家完全就可以把栈当作压子弹和子弹射出。

好了，基础知识我们已经掌握，那么，我们该用什么结构来实现栈呢？

通过单链表，双链表还是什么？大家可以在此处进行思考，稍后公布答案。

二、栈的实现

上文说到，我们要选择一个结构来实现栈。我们来一一分析一下：

双链表全称为：带头双向循环链表，用它来实现可以吗？还用说吗？太过于完美当然可以，但是要用两个指针，同学们，一个指针已经困扰大家已久，那两个指针想必是大家不想经历的大恐怖。所以，这个时候咱们把它先列为备胎（实在没办法在想它（在特殊情况下能渣则渣）🐶）。

单链表全称为：不带头单向不循环链表，大家想单链表找到尾元素麻烦吗？找一遍时间复杂度为O（N）。虽然我们可以反转一下，但是你愿意用吗？要是放两个指针还不如用双链表。

这个时候怎么办？难道我们要使用双链表？不，绝对不行。这时，数组意外路过，对啊，我们可以用数组。

数组每次使用前像顺序表一样判断是否开辟空间，在用一个变量size来记录尾，这样不就完美符合要求了。那说干就干吧。打开我们心爱的VS。

2.1 栈的结构

栈的结构，可以借鉴一下顺序表，要有数组、容量和栈定元素。结构如下：

// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* a;int top;		// 栈顶int capacity;  // 容量 
}Stack;

2.2 栈的初始化

要进行初始化，大家想一想top赋值为多大合适，如果为0，那么0是不是为栈的第一个元素？是不是？答案是：是的。那么，有没有办法不叫top指向数组第一个元素？有，使top的值为-1即可。在后续代码中，我会将top初始化为0（别问，问就是top此时可以当顺序表中的size使用）。代码如下：

// 初始化栈
void StackInit(Stack* ps)
{assert(ps);ps->a = NULL;ps->capacity = ps->top = 0;
}

2.3 栈的销毁

在我们今后写代码一定要记住：只要你malloc，realloc一定要free，你创建了就一定要销毁。

那我们创建了一个栈，那么我们一定要销毁。代码如下：

// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps)
{assert(ps);free(ps->a);//此处记得释放ps指向的数组，不要写成ps！！！ps->a = NULL;ps->capacity = ps->top = 0;
}

注意事项写在代码里了，一定要记住！！！

2.3 栈元素的插入

void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{assert(ps);if (ps->capacity == ps->top){int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * sizeof(ps->capacity);STDataType* newnode = (STDataType*)realloc(ps->a,newcapacity*sizeof(STDataType));if (newnode == NULL){perror("realloc fail");return;}ps->capacity = newcapacity;ps->a = newnode;}//这里之所以没有封装成一个接口，是因为这里只用一次，其余的都不使用ps->a[ps->top] = data;ps->top++;//这里也可以合二为一//ps->a[ps->top++] = data;
}

此处要点与顺序表类似，就不过多强调。

2.4 栈元素的删除

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

此处代码过于简单，那么能不能不把这个封装了，直接写。其实你要是想这么干，你可以试一试，不过提醒一下：可能会出乱子。还是那句话：专业的事专业的人做。

2.5 栈顶元素获取

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

对于此代码最后的返回值可能会有人有疑问，我简单解释一下：

2.6 栈元素有效个数获取

// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}

上文说过top初始化为0时可当size来使用，代码简单，不过多解释。

2.7 栈是否为空判断

// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}

注意点：必须包含头文件：stdbool.h。

三、代码总览

Stack.h

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* a;int top;		// 栈顶int capacity;  // 容量 
}Stack;// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps);
// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data);
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps);
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps);
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps);
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

Stack.c

#include"Stack.h"// 初始化栈
void StackInit(Stack* ps)
{assert(ps);ps->a = NULL;ps->capacity = ps->top = 0;
}
// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{assert(ps);if (ps->capacity == ps->top){int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * sizeof(ps->capacity);STDataType* newnode = (STDataType*)realloc(ps->a,newcapacity*sizeof(STDataType));if (newnode == NULL){perror("realloc fail");return;}ps->capacity = newcapacity;ps->a = newnode;}//这里之所以没有封装成一个接口，是因为这里只用一次，其余的都不使用ps->a[ps->top] = data;ps->top++;//这里也可以合二为一//ps->a[ps->top++] = data;
}
// 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->a[ps->top - 1];
}
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps)
{assert(ps);free(ps->a);//此处记得释放ps指向的数组，不要写成ps！！！ps->a = NULL;ps->capacity = ps->top = 0;
}

测试代码:test.c

#include"Stack.h"int main()
{Stack p;StackInit(&p);StackPush(&p, 1);StackPush(&p, 2);StackPush(&p, 3);StackPush(&p, 4);while (!StackEmpty(&p)){printf("%d ", StackTop(&p));StackPop(&p);}StackDestroy(&p);return 0;
}