数据结构----栈的两种存储结构

一.栈的定义和特点

定义:1.栈是限定仅在表尾进行插入和删除的顺序表

2.对栈来说,表尾端有其特殊含义,称为栈顶,表头端称为栈底

3.不含元素的栈称为空栈

特点:1.栈具有先进后出的特点

        2.栈区的空间会自动释放

二.顺序栈的表示和操作实现

定义:顺序栈是指利用顺序存储结构实现的栈,即利用一组地址连续的存储单元依次存放自栈底到栈顶的元素

顺序栈的存储结构:

#define MAXSIZE 100

typedef struct Stack{
    elemtype *top;//栈顶指针
    elemtype *base;//栈底指针
    int stacksize;//栈的最大尺寸
}

初始化:

             1.给栈申请一片空间

             2.将设置为空战,栈顶指针等于栈底指针

             3.将MAXSIZE赋值给stacksize

Status SetStack(Stack *S)
{
    S->base = (Stack*)malloc(sizeof(Stack)*MAXSIZE);//为栈申请一块大小为MAXSIZE的空间
    if(!S->base)    return 0;//空间申请失败返回0
    S->top = S->base;//top初始化为base空栈
    S->stacksize = MAXSIZE://栈的最大空间为MAXSIZE
}

入栈:

        1.判断栈是否满,若满返回0

        2.将新元素入栈,栈顶指针加1

Status Push_Stack(Stack *S,elemtype e)
{
    if(S->top-S->base==MAXSIZE) return 0;//判断栈是否满了
    *S->top = e;//将元素的值赋值给top
    S->top++;//top加1
}

出栈:

        1.判断栈是否为空,为空返回0

        2.栈顶指针减1,栈顶元素出栈

Status Pop_Stack(Stack *S)
{
    if(S->base==S->top)    return 0;//判断栈是否为空
    S->top--;//栈顶元素减1
    return *S->top;//返回栈顶元素
}

三.链栈的表示和实现

定义:链栈是指采用链式存储结构实现的栈,通常用单链表来表示,以单链表的头部作为顶最为方便,而且没必要像单链表那样为了操作方便附加一个头结点

链栈的存储结构:

typedef struct StackLink
{    
    elemtype    data;//数据域
    StackLink    *next;//指针域
} 

初始化:

            构造一个空栈,直接将栈顶指针置空

Status Set_linkStack(Stack *S)
{
    S = NULL;
    return 1;
}

链栈的入栈:

                   1.创造一个新的结点

                   2.将元素赋值给数据域

                   3.将新结点插入栈顶

                   4.修改栈顶元素为新结点

Status Push_Stack(Stack *S,elemtype e)
{
    Stack *P = (Stack *)malloc(sizeof(Stack));
    P->data = e;
    P->next = S;
    S = P;
    return 1;
}

链栈的出栈:

                   1.先判断栈是否为空,为空返回0

                   2.将栈顶元素赋值给e

                   3.修改栈顶指针,指向新的栈顶元素

                   4.释放原栈顶元素空间

Status Pop_Stack(Stack *S,elemtype e)
{
    Stack *P;
    e = S->data;
    P = S;
    S = S->next;
    free(P);
    return e;
}

取栈顶元素:

                   

Status GetPop(stack S)
{
    if(S!=NULL)
        return S->data;
}

<think>首先,用户的问题是基于提供的引用,请求详细介绍线性数据结构中的。引用来自不同的来源,主要讨论的基本概念、特性、实现和应用。 关键点来自引用: - 引用[1]:是操作受限的线性表,是限定性的数据结构,不同于一般的线性表。 - 引用[2]:是后进先出(LIFO)的数据结构,新项添加和移除在顶部。 - 引用[3]:线性结构是有序数据项集合,是其中的一种,数据项增减方式不同。 - 引用[4] 和 [5]:提供了代码示例和更多细节,如的实现(链式)和清空操作。 用户指定:“我想了解线性数据结构的相关知识”,所以我需要提供一个清晰的介绍,包括的定义、特性、操作、实现和应用。 根据系统级指令: - 所有行内数学表达式必须使用$...$格式。 - 独立公式使用$$...$$并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然添加引用标识,如[^1]。 在回答中,我需要自然地引用参考内容。引用标识应与提供的引用对应: - [^1] 对应引用[1] - [^2] 对应引用[2] - [^3] 对应引用[3] - [^4] 对应引用[4] - [^5] 对应引用[5] 回答结构应该清晰,逐步介绍: 1. **定义和基本特性**:是什么,LIFO原则。 2. **操作**:基本操作如push, pop, peek, isEmpty等。 3. **实现**:数组实现和链表实现。 4. **应用场景**:如函数调用、表达式求值、回溯等。 5. **优缺点**。 6. **代码示例**:参考引用提供Python或C/Java代码(引用[4]有C和Java代码)。 最后,生成相关问题,符合示例格式。 组织回答: - 开头介绍的概念。 - 然后详细描述。 - 添加代码示例。 - 结尾生成相关问题。 确保使用中文,并正确格式化数学表达式。如果有变量或算法,使用$...$。 例如: - 时间复杂度:$O(1)$ for push/pop。 -本身没有复杂数学,主要描述性。 引用处理: - 在描述中,提到概念时引用相关来源,如“是后进先出的数据结构[^2]”。 - 避免过度引用,只在关键点上引用。 现在,草拟内容: 1. **的定义**:是一种线性数据结构,遵循后进先出(LIFO)原则,新元素添加到顶部(称为push),移除也从顶部(称为pop)。 2. **基本操作**: - push:添加元素到顶。 - pop:移除顶元素。 - peek/top:查看顶元素不移除。 - isEmpty:检查是否空。 3. **实现方式**: - 数组实现:使用固定大小数组,简单但可能溢出。 - 链表实现:动态大小,更灵活。 - 引用[4]提供了C和Java实现的代码示例。 4. **应用**:函数调用、表达式求值、浏览器后退、撤销操作等。 5. **优点和缺点**:操作高效($O(1)$时间复杂度),但空间有限。 代码示例:提供Python代码简化,因为用户可能熟悉。 - 使用引用[4]的灵感,但用Python写以保持一致性。 生成相关问题,如: 1. 在算法中的应用有哪些? 2. 如何实现一个使用数组? 3. 和队列的区别是什么? 完整回答结构: - 标题或开头:的详细介绍 - 正文 - 代码块 - 相关问题 </think>### 的详细介绍 (Stack)是线性数据结构中的一种基础且重要的抽象数据类型。它基于后进先出(Last In First Out, LIFO)原则,其中数据项的添加(push)和移除(pop)操作仅在的顶部进行,而底部项存储时间最长[^2]。被称为操作受限的线性表,因为它只支持线性表操作的一个子集,不同于普通线性表(如数组或链表)的灵活性[^1]。下面我将从定义、特性、操作、实现和应用等方面详细介绍。 #### 1. **定义和基本特性** 是由有序数据项组成的集合,每个数据项有唯一的前驱和后继(除顶部项无后继,底部项无前驱)。新项只能添加到顶,移除也只能从顶进行,这种受限操作确保的LIFO特性[^3]。的核心属性包括: - **LIFO原则**:最近添加的元素最先被移除(例如,函数调用中,最新调用的函数最先返回)。 - **操作受限**:仅允许在顶部执行插入和删除操作,不同于队列或其他线性结构允许两端操作。 - **时间复杂度**:基本操作如push和pop的平均时间复杂度为$O(1)$(常数时间),效率高[^4]。 - **空间复杂度**:的大小动态变化,但实际实现中可能有固定容量限制(如数组实现的)[^4]。 的线性结构本质是线性的,即数据项按顺序排列,但操作方式使其成为限定性数据结构[^5]。 #### 2. **基本操作** 支持以下核心操作,这些操作定义了其行为: - **push(item)**:将新元素添加到顶。 - **pop()**:移除并返回顶元素;若为空,可能引发异常(如Stack Underflow)。 - **peek() / top()**:返回顶元素但不移除它,用于查看。 - **isEmpty()**:检查是否为空,返回布尔值。 - **size()**:返回中元素的个数。 - **clear()**:清空,将所有元素移除(实现细节见后续代码示例)[^4]。 这些操作确保在内存管理和算法中高效,例如,push和pop操作在理想情况下耗时恒定。 #### 3. **实现方式** 可通过数组或链表实现两种常见方式: - **数组实现(顺序)**:使用固定大小的数组存储元素,简单高效但容量有限(可能导致溢出)。 - 优点:内存连续,访问快。 - 缺点:扩容时需动态调整数组大小(如加倍策略),平均时间复杂度为$O(1)$但最坏情况$O(n)$(n为元素数量)。 - **链表实现(链式)**:使用节点(Node)结构,每个节点包含数据和指向下一个节点的指针,顶指针指向最新节点。 - 优点:动态扩容,无固定大小限制。 - 缺点:额外指针开销,内存访问较慢。 以下是Python代码示例(基于引用[4]的C/Java实现简化),展示链表的基本操作: ```python class Node: def __init__(self, data): self.data = data self.next = None class Stack: def __init__(self): self.top = None # 顶指针 self.size = 0 # 大小 def push(self, item): """添加元素到顶""" new_node = Node(item) new_node.next = self.top self.top = new_node self.size += 1 def pop(self): """移除并返回顶元素""" if self.isEmpty(): raise Exception("Stack Underflow") popped = self.top.data self.top = self.top.next self.size -= 1 return popped def peek(self): """返回顶元素不移除""" if self.isEmpty(): return None return self.top.data def isEmpty(self): """检查是否为空""" return self.top is None def size(self): """返回大小""" return self.size def clear(self): """清空""" self.top = None self.size = 0 ``` 此代码实现了链表基础的,clear操作通过重置指针清空,时间复杂度$O(1)$[^4]。数组实现类似,但需处理索引。 #### 4. **应用场景** 广泛应用于计算机科学和实际问题中: - **函数调用管理**:程序调用存储函数参数和返回地址,确保函数调用顺序(如递归调用)。 - **表达式求值**:用于算术表达式解析(如后缀表达式计算),例如计算$(3 \times (4 + 5))$时先处理内层括号[^2]。 - **回溯算法**:在深度优先搜索(DFS)中模拟路径回溯。 - **历史记录**:浏览器后退按钮或编辑器撤销操作,基于记录状态变更[^2]。 - **内存管理**:操作系统管理局部变量。 的LIFO特性使其在需要“最近优先”处理的场景中高效,但操作受限也限制了灵活性(如无法随机访问元素)。 #### 5. **优缺点总结** - **优点**: - 操作高效:push、pop、peek等操作时间复杂度$O(1)$。 - 简单易实现:代码简洁,易于理解和扩展。 - 内存控制:可预测的内存使用(尤其数组实现),适合嵌入式系统。 - **缺点**: - 访问受限:只能操作顶部元素,无法直接访问中间元素(需遍历)。 - 空间限制:数组实现有固定容量,可能溢出;链表有额外指针开销。 - 不适合所有场景:如需要先进先出(FIFO)的行为,队列更适用。 作为线性结构的基础,是学习更复杂数据结构的起点[^3]。理解有助于掌握递归、编译器等高级主题。
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