用C语言实现一个栈

Maple_land

于 2025-03-05 18:00:07 发布

阅读量1.3k

点赞数 36

分类专栏：数据结构文章标签： c语言数据结构算法

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Maple_land/article/details/145984073

版权

数据结构专栏收录该内容

7 篇文章

订阅专栏

用C语言实现一个栈

一、准备工作

1.什么是栈？

栈（Stack），是一种线性数据结构。那线性结构是什么呢？线性结构就是数据元素排成像一条线一样的结构，每个元素只有前后两个方向的关系，比如我们前几期内容讲过的顺序表、单链表、双向循环链表都属于线性结构。但栈的特殊性在于它的操作受限，只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作，比如一摞盘子，只能从最上面拿或放。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。
栈的示意图

2.实现一个栈，我们需要些什么？

（1）数组

实现一个栈，我们往往使用数组，因为数组在内存中分配连续的地址空间，使得栈顶元素的访问无需遍历中间的结点，并且数组实现的栈在操作的过程中时间复杂度为O(1)，代码也比较简洁。在这里，提到了数组，不难联想到顺序表，其实二者类似，只不过栈只能在栈顶插入删除数据，而顺序表不受限制。当然，栈也分为静态栈和动态栈，由于静态栈开辟的数组空间是固定的，不够灵活，因此，我们往往采用动态栈：通过动态内存开辟的方式，让数组的容量跟着需求来。
栈的数组

（2）top

top指的是栈顶元素的位置，当栈中没有插入数据时，top为-1，待插入数据后，top+1变为0，刚好和数组的下标相对应（第一个数据下标为0），每次插入数据后，栈顶位置都会变化，要+1。
top

（3）capacity

capacity:表示当前数组能够存多少个数据，指的是栈的容量。（注意：这里的容量不是指数组有多少个字节的空间，而是能够存储数据的个数，因此，我们可以有这样的公式：数组空间的大小（单位：字节）=数组所存储的单个数据大小 * capacity）
size：表示当前数组已经存了多少个数据。

结构体

我们现在有了一个数组，top（整型）和capacity（整型）。它们虽然数据类型不同，但却紧密联系，共同实现一个栈，因此，我们可以将他们放入一个结构体中（如图）。

二、栈的实现（代码+分析）

1.初始化

结构体Stack告诉我们实现栈需要的一些内容，但是它只是一张图纸，就像房屋的设计图一样，告诉我们哪里是客厅，哪里是厨房，却不能实实在在地住进去。因此，我们需要对顺序表进行初始化（代码如下）。

void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);//先开辟4个数据的空间
	if (ps->a == NULL)//基本操作，检查动态内存开辟是否成功
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	ps->top = -1;//top指的是栈顶元素的位置，现在栈中没有插入数据，因此top为-1，待插入数据后，top+1变为0，刚好和数组的下标相对应（第一个数据下标为0）
	ps->capacity = 4;//表示初始化后栈中能存4个数据
}

void StackInit(Stack* ps)是初始化函数，我们发现这里传的是结构体的指针，而不是结构体本身。为什么呢，因为形参只是实参的一份临时拷贝，出了函数的作用域后就销毁了，形参在函数里再怎么变化对实参都没有什么影响，想要改变实参，应当传它的地址。一个经典的例子就是写一个交换a，b值的函数时，传地址才有效，道理是一样的。

2.入栈

入栈操作和顺序表的尾插操作类似，比较简单，需要注意的是top要+1后再插入数据，代码如下：

void StackPush(Stack* ps, DataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->top + 1 == ps->capacity)//检查是否需要扩容，top是数组的下标位，我们都知道，数组的下标位是比数组实际数据个数少1的，因此需要top+1
	{
		DataType* tmp = (DataType*)realloc(ps, sizeof(DataType) * ps->capacity * 2);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		ps->a = tmp;//tmp指向的是调整后内存的起始地址
	}
	ps->capacity *= 2;//经过扩容，容量变为原来的两倍
	ps->top++;//现在是插入数据，栈顶的下标位要+1了
	ps->a[ps->top] = x;//在栈顶处插入数据
}

3.判断栈中是否存在有效数据

当栈为空时，其特点就是栈顶的下标位为-1，这个函数是为后面的出栈函数服务，代码如下：

bool StackEmpty(Stack* ps)//判断栈中是否存在数据，如果为空，则返回1，如果不为空，则返回0
{
	assert(ps);
	return ps->top == -1;//当栈为空时，其特点就是栈顶的下标位为-1
}

4.栈顶数据出栈

出栈操作和顺序表的尾删操作类似，需要注意的是，assert里面的内容为0（或者NULL）时会生效，进行断言，如果现在想让它生效，则要(!StackEmpty(ps))为0，则StackEmpty(ps)为1，此时就是栈中数据为空的情况，代码如下：

void StackPop(Stack* ps)//栈顶数据出栈
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));//assert里面的内容为0（或者NULL）时会生效，如果现在想让它生效，则要(!StackEmpty(ps))为0，则StackEmpty(ps)为1，此时就是栈中数据为空的情况
	ps->top--;//所谓出栈，就是将栈顶的下标位-1，这样在取出元素的时候就取不到已经出了栈顶数据了
}

5.获取栈顶元素

DataType StackTop(Stack* ps)//查看栈顶的元素
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top];
}

6.查看栈中数据个数

int StackSize(Stack* ps)//查看一下栈中有几个元素
{
	assert(ps);
	return ps->top + 1;//数组下标位+1为元素个数
}

7.栈的销毁

void StackDestroy(Stack* ps)//栈的销毁
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = -1;
	ps->capacity = 0;
}

三、使用头文件——声明与定义分离

1.头文件——Stack.h

在栈中，我们为了实现它的基本功能，写了很多的函数，如果我们将结构体，函数的声明，函数的定义，以及函数的调用测试写在同一个源文件中，会大大降低代码的可读性和可维护性；因此，我们可以将结构体以及一些函数的声明放在头文件Stack.h中，代码如图：
Stack.h

2.源文件——Stack.c

在源文件Stack.c中，我们存放函数具体实现的代码，在第一行应加上 #include"Stack.h"，代码如下：

#include"Stack.h"

void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 4);//先开辟4个数据的空间
	if (ps->a == NULL)//基本操作，检查动态内存开辟是否成功
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	ps->top = -1;//top指的是栈顶元素的位置，现在栈中没有插入数据，因此top为-1，待插入数据后，top+1变为0，刚好和数组的下标相对应（第一个数据下标为0）
	ps->capacity = 4;//表示初始化后栈中能存4个数据
}

void StackPush(Stack* ps, DataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->top + 1 == ps->capacity)//检查是否需要扩容，top是数组的下标位，我们都知道，数组的下标位是比数组实际数据个数少1的，因此需要top+1
	{
		DataType* tmp = (DataType*)realloc(ps, sizeof(DataType) * ps->capacity * 2);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		ps->a = tmp;//tmp指向的是调整后内存的起始地址
	}
	ps->capacity *= 2;//经过扩容，容量变为原来的两倍
	ps->top++;//现在是插入数据，栈顶的下标位要+1了
	ps->a[ps->top] = x;//在栈顶处插入数据
}

bool StackEmpty(Stack* ps)//判断栈中是否存在数据，如果为空，则返回1，如果不为空，则返回0
{
	assert(ps);
	return ps->top == -1;//当栈为空时，其特点就是栈顶的下标位为-1
}

void StackPop(Stack* ps)//栈顶数据出栈
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));//assert里面的内容为0（或者NULL）时会生效，如果现在想让它生效，则要(!StackEmpty(ps))为0，则StackEmpty(ps)为1，此时就是栈中数据为空的情况
	ps->top--;//所谓出栈，就是将栈顶的下标位-1，这样在取出元素的时候就取不到已经出了栈顶数据了
}

DataType StackTop(Stack* ps)//查看栈顶的元素
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top];
}

int StackSize(Stack* ps)//查看一下栈中有几个元素
{
	assert(ps);
	return ps->top + 1;//数组下标位+1为元素个数
}

void StackDestroy(Stack* ps)//栈的销毁
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = -1;
	ps->capacity = 0;
}

3.源文件——Test.c（运行测试）

栈是不支持遍历的，没有StackPrint函数。因为栈的主要目的是提供高效的压栈（push）和弹栈（pop）操作，这两种操作的时间复杂度都是O(1)。如果允许遍历，可能需要访问中间元素，这样就会破坏栈的LIFO原则。比如，如果用户可以随便访问栈中间的元素，那栈就不再遵循严格的后进先出规则了。

#include"Stack.h"

int main()
{
	Stack ST;
	StackInit(&ST);

	StackPush(&ST, 1);
	StackPush(&ST, 2);

	printf("%d ", StackTop(&ST));
	StackPop(&ST);

	StackPush(&ST, 3);
	StackPush(&ST, 5);
	
	printf("%d ", StackTop(&ST));
	StackPop(&ST);

	StackPush(&ST, 9);
	
	while (!StackEmpty(&ST))
	{
		printf("%d ", StackTop(&ST));
		StackPop(&ST);
	}

	StackDestroy(&ST);

	return 0;
}