栈结构详解：从理论到实现

栈结构概述

栈是一种后进先出（LIFO）的线性数据结构，核心操作包括入栈（Push）和出栈（Pop)。通过栈顶指针动态管理数据存取。

可以将栈理解为羽毛球桶

栈的数组实现设计

核心成员变量

• 数组指针 *arr
• 栈顶位置下标 top
• 栈容量 capacity

边界条件

• 栈空：top == 0
• 栈满：top == capacity

基本操作实现

初始化栈

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

检查栈容量

//检查容量
void Stack_check(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4: 2 * (ps->capacity);
		STDatatype* temp = (STDatatype*)realloc(ps->arr, newcapacity * sizeof(STDatatype));
		if (temp == NULL)
		{
			perror("realloc fail!");
			exit(1);
		}
		else
		{
			ps->arr = temp;
			temp = NULL;
			ps->capacity = newcapacity;
			return;
		}
	}
}

入栈（Push）
检查栈满后写入数据并移动栈顶指针：

// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDatatype data)
{
	assert(ps);
	//判断容量
	Stack_check(ps);
	ps->arr[ps->top] = data;
	ps->top++;
}

出栈（Pop）
删除栈顶元素

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

扩展功能

获取栈顶元素（Peek）

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

 获取栈中有效元素个数 

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

栈判空

// 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 
int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

销毁栈

// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}

动态扩容（上述检查栈容量完成）
通过realloc重新分配更大数组

性能与局限性

时间复杂度

• Push/Pop/Peek：O(1)

空间限制

• 动态分配realloc增加复杂度

完整代码示例

Stack.h
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>

typedef int STDatatype;

typedef struct Stack
{
	STDatatype* arr;
	int top;
	int capacity;
}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 
int StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);




Stack.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include "stack.h"

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

//检查容量
void Stack_check(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4: 2 * (ps->capacity);
		STDatatype* temp = (STDatatype*)realloc(ps->arr, newcapacity * sizeof(STDatatype));
		if (temp == NULL)
		{
			perror("realloc fail!");
			exit(1);
		}
		else
		{
			ps->arr = temp;
			temp = NULL;
			ps->capacity = newcapacity;
			return;
		}
	}
}

// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDatatype data)
{
	assert(ps);
	//判断容量
	Stack_check(ps);
	ps->arr[ps->top] = data;
	ps->top++;
}

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

// 获取栈顶元素 
STDatatype StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	return ps->arr[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 
int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}