【数据结构】C语言实现栈(详细解读)
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⛳⛳本篇内容:c语言数据结构--C语言实现栈
目录
什么是栈
栈的概念及结构
实现栈的方式
链表的优缺点:
顺序表的优缺点:
栈的实现
a.头文件的包含
b.栈的定义
c.接口函数
接口函数的实现
1.栈的初始化
2.销毁栈
3.入栈
4.检测栈是否为空
5.出栈
6.获取栈顶元素
7.获取栈中有效元素个数
完整代码
Test.c
Stack.h
Stack.c
什么是栈
栈的概念及结构
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。栈的结构:
实现栈的方式
实现栈的方式有两种: 顺序表和链表
链表的优缺点:
优点:
1、任意位置插入删除O(1)
2、按需申请释放空间
缺点:
1、不支持下标随机访问
2、CPU高速缓存命中率会更低
先说链表实现栈的缺点:
额外内存开销:链表实现的栈需要为每个节点分配内存空间来存储数据和指针。相比于数组实现的栈,链表实现需要额外的内存开销来维护节点之间的指针关系,可能导致内存碎片化。
动态内存分配:链表实现的栈需要通过动态内存分配来创建和释放节点。这涉及到频繁的内存分配和释放操作,可能导致内存管理的复杂性和性能开销。在某些情况下,可能会出现内存分配失败或内存泄漏的问题。
指针操作开销:链表实现的栈需要通过指针进行节点之间的连接操作。这包括插入和删除节点时的指针修改,可能涉及到多个指针的更新。相比于数组实现的栈,链表实现的栈需要更多的指针操作,可能会带来一定的性能开销。
随机访问的限制:链表是一种顺序访问的数据结构,无法像数组一样通过索引进行随机访问。如果需要在栈中进行随机访问元素,链表实现的栈可能不太适合,而数组实现的栈更具优势。
顺序表的优缺点:
优点:1、尾插尾删效率不错。
2、下标的随机访问。
3、CPU高速缓存命中率会更高
缺点:
1、前面部分插入删除数据,效率是O(N),需要挪动数据。
2、空间不够,需要扩容。a、扩容是需要付出代价的b、一般还会伴随空间浪费。
顺序表实现栈的优点
内存连续性:顺序表在内存中是连续存储的,相比于链表的动态内存分配,顺序表的元素在物理上更加紧凑。这样可以减少内存碎片化,提高内存的利用效率。
随机访问:顺序表可以通过索引直接访问栈中的元素,具有随机访问的能力。这意味着可以快速访问栈中任意位置的元素,而不需要遍历整个链表。
操作简单高效:顺序表的插入和删除操作只涉及元素的移动,不需要额外的指针操作和动态内存分配。这使得操作相对简单高效,并且在某些情况下比链表实现更快。
空间效率:相比于链表实现,顺序表不需要额外的指针来维护节点之间的连接关系,因此可以节省一定的空间开销。只需要存储元素本身和栈顶指针即可。
综上所述,用顺序表实现栈更好。
栈的实现
a.头文件的包含
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdio.h>
b.栈的定义
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* a;int top;//栈顶int capacity;//栈的容量
}ST;
c.接口函数
// 初始化栈
void STInit(ST* pst); // 入栈
void STPush(ST* pst, STDataType data); // 出栈
void STPop(ST* pst); // 获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* pst); // 获取栈中有效元素个数
int STSize(ST* pst); // 检测栈是否为空,如果为空返回true,如果不为空返回false
bool STEmpty(ST* pst); // 销毁栈
void STDestroy(ST* pst);
接口函数的实现
1.栈的初始化
pst->top表示栈的顶部指针,通常情况下,它指向栈顶元素的下一个位置,而不是指向当前栈顶元素。通过 pst->top 可以确定栈中元素的个数,打印的时候记得将 top - 1。
void STInit(ST* pst)
{assert(pst);//防止敲代码的人传过来是NULL指针pst->a = NULL;//栈底//top不是数组下标,不能理解成数组下标,因为栈只能拿到栈顶的元素,而数组可以随机访问拿到中间元素//pst->top=-1;//指向栈顶元素pst->top = 0;//指向栈顶元素的下一个位置pst->capacity = 0;}
分别解释一下各自的含义:
- pst 是指向栈的指针,指向栈的首节点或头节点。
->
是一个成员访问运算符,用于通过指针访问结构体或类的成员
-
pst ->a 是指向存储栈元素的数组的指针。栈中的元素通常被存储在数组中,通过 pst->a 可以访问和操作该数组。在 STInit 函数中, pst->a 被设置为 NULL,表示栈底为空,即栈中没有任何元素。
-
pst->capacity 表示栈的容量,即栈可以容纳的最大元素数量。当栈中元素的数量达到 pst->capacity 时,栈被认为已满,无法再进行入栈操作。在初始化时,pst->capacity 的值通常被设置为 0,表示栈的初始容量为 0。
-
pst->top 表示栈顶指针,它指向当前栈顶元素的下一个位置。在栈为空时,pst->top 的值为 0,表示栈底。随着元素的入栈和出栈操作,pst->top 的值会相应地增加或减少,指向栈中下一个元素的位置。
2.销毁栈
为了防止野指针的出现,栈销毁后记得将指针置空。
void STDestroy(ST* pst)
{assert(pst);free(pst->a);pst->a = NULL;
}
3.入栈
三元运算符
condition ? value1: value2
它的含义是,如果条件condition为真(非0),则整个表达式的值为value1;如果条件为假(0),则整个表达式的值为value2
解析:
int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
这段代码的执行顺序如下:
- 首先,评估条件pst->capacity == 0 这将检查 pst 指针所指向的结构体中的 capacity 成员是否等于 0
- 如果条件为真(pst->capacity 等于 0),则表达式的值为 4,将其赋给 newCapacity
- 如果条件为假(pst->capacity不等于 0),则表达式的值为pst->capacity * 2,将其赋给 newCapacity
realloc函数:【C进阶】-- 动态内存管理_Dream_Chaser~的博客-CSDN博客
动图:
函数代码:
void STPush(ST* pst,STDataType x)
{if (pst->top == pst->capacity){int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newCapacity * sizeof(STDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}pst->a = tmp;//返回的是realloc出来的内存块的地址pst->capacity = newCapacity;//把扩容后的空间大小赋值给栈容量}pst->a[pst->top] = x;//先放值pst->top++;//再++
}
【注意事项】
1️⃣检查栈的顶部指针 top 是否等于栈的容量 capacity 。如果这两个值相等,那么说明栈已经满了,无法再添加新的元素。
2️⃣接着判断此时栈的容量是否是0,若是0,则把4赋值给newcapacity作为新的栈容量。此后若栈满了,则把此时栈满时的容量 * 2进行扩容,赋值给newcapacity作为新的栈容量。
3️⃣先放入新的元素入栈,接着pst->top指向栈顶元素的指针++
4.检测栈是否为空
栈为空返回true,不为空返回false
bool STEmpty(ST* pst)//栈为空返回true,不为空返回false
{//写法一//assert(pst);//if (pst->top == 0)//{// return true;//}//else//{// return false;//}//写法二return pst->top == 0;
}
当栈为空时,表示栈中没有任何元素。此时,栈顶指针 top 的值通常被设置为特定的初始值(例如0或-1),指向栈底或栈外。在这种情况下,栈顶指针没有指向有效的元素,因此栈被认为是空的。
当栈非空时,表示栈中至少有一个元素。此时,栈顶指针top的值指向栈顶元素的位置。栈顶元素是最后一个被入栈的元素,也是最先被访问或移除的元素。只要栈中有元素存在,栈顶指针都会指向有效的位置。
因此,在STEmpty(ST* pst)函数中,当栈为空时,即栈顶指针top的值为0(或其他特定初始值),我们返回 true 表示栈为空。反之,如果栈非空,即栈顶指针 top 的值大于0,我们返回 false 表示栈不为空。
5.出栈
先用assert判断传过来的pst指针是否指向NULL。接着判断栈是否为NULL,为NULL,STEmpty(pst)返回true,!STEmpty(pst)就是false,断言失败,程序终止。反之断言成功,程序正常执行。
图解:
void STPop(ST* pst)
{assert(pst);assert(!STEmpty(pst));pst->top--;
}
【注意事项】
接着将指向栈顶的指针--,通过将栈顶指针top减一,可以将指针向栈底方向移动,从而使栈顶指向下一个元素。
指针的移动并不会直接导致元素的销毁。指针的移动只是改变了栈顶指针的位置,使其指向了栈中的下一个元素。元素本身并不会被销毁,只是在后续的操作中,可能无法直接访问被移除的元素。
6.获取栈顶元素
图解:因为前面定义的时候pst->top=0,表示指向栈顶元素的下一个位置。
pst->top-1表示栈顶元素在数组中的索引。
STDataType STTop(ST* pst)
{assert(pst);assert(!STEmpty(pst));return pst->a[pst->top - 1];
}
需要注意的是,在实际使用中,应确保栈不为空(即栈中有元素存在),才能执行取栈顶元素的操作。因此,在代码中使用了 assert(!STEmpty(pst)) 进行栈非空的断言校验。
代码执行:
7.获取栈中有效元素个数
图解:由图看出,pst->top此时是指向下标为4的位置的,所以栈此时的有效个数就为4
int STSize(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top;
}
代码执行:
完整代码
Test.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Stack.h"
void TestStack1()
{ST st;STInit(&st);STPush(&st, 1);STPush(&st, 2);STPush(&st, 3);STPush(&st, 4);while (!STEmpty(&st)){printf("%d ", STTop(&st));//栈顶元素STPop(&st);}STDestroy(&st);
}
void TestStack2()
{ST st;STInit(&st);STPush(&st, 1);STPush(&st, 2);printf("%d ", STTop(&st));STPush(&st, 3);STPush(&st, 4);printf("\n");printf("%d ", STTop(&st));//printf("%d", STSize(&st));//while (!STEmpty(&st))//{// printf("%d ", STTop(&st));//栈顶元素// STPop(&st);//}STDestroy(&st);
}
void TestStack3()
{ST st;STInit(&st);STPush(&st, 1);STPush(&st, 2);STPush(&st, 3);STPush(&st, 4);//printf("%d", STSize(&st));STDestroy(&st);
}int main()
{TestStack1();//入栈出栈//TestStack2();//获取栈顶元素//TestStack3();//计算栈中有效元素个数 return 0;
}
Stack.h
#pragma once
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdio.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* a;int top;//栈顶的位置int capacity;//栈的容量
}ST;void STInit(ST* pst);
void STDestroy(ST* pst);
void STPush(ST* pst,STDataType x);
void STPop(ST* pst);
STDataType STTop(ST* pst);
bool STEmpty(ST* pst);
int STSize(ST*pst);
Stack.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Stack.h"
void STInit(ST* pst)
{assert(pst);pst->a = NULL;//栈底//top不是下标//pst->top=-1;//指向栈顶元素pst->top = 0;//指向栈顶元素的下一个位置pst->capacity = 0;}void STDestroy(ST* pst)
{assert(pst);free(pst->a);pst->a = NULL;
}void STPush(ST* pst,STDataType x)
{if (pst->top == pst->capacity){int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;//true,4.false,括2倍STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newCapacity * sizeof(STDataType));//返回值地址相等就是原地扩容,不同就是异地扩if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}pst->a = tmp;//返回的是realloc出来的内存块的地址pst->capacity = newCapacity;//把扩容后的空间大小赋值给栈容量}pst->a[pst->top] = x;//先放值pst->top++;//再++
}void STPop(ST* pst)
{assert(pst);assert(!STEmpty(pst));pst->top--;
}STDataType STTop(ST* pst)
{assert(pst);assert(!STEmpty(pst));return pst->a[pst->top - 1];
}bool STEmpty(ST* pst)//栈为空返回true,不为空返回false
{//assert(pst);//if (pst->top == 0)//{// return true;//}//else//{// return false;//}return pst->top == 0;
}
int STSize(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top;
}
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