《C++栈通讲：从基础到进阶的全面解析》

引言：栈的核心价值与C++实现优势

栈（Stack）作为后进先出（LIFO）的线性数据结构，是计算机科学中不可或缺的基础工具。其核心特性包括：

操作受限性：仅允许在栈顶进行插入（push）和删除（pop）操作

高效性：所有操作的时间复杂度均为O(1)

典型应用：函数调用栈、表达式求值、回溯算法等

在C++中，栈的实现既可通过原生数组/链表构建，也可直接利用标准库<stack>，这种灵活性使其成为理解内存管理和算法设计的重要切入点。

一、基础篇：栈的实现与标准库应用

1.1 栈的三种实现方式

数组模拟栈（需处理栈满扩容）：

template<typename T>
class ArrayStack {
private:
    T*      arr;
    int     top;
    int     capacity;

public:
    void push(T value) {
        if (top == capacity) resize();
        arr[top++] = value;
    }

    T pop() {
        if (top == 0) throw underflow;
        return arr[--top];
    }
};

链表实现栈（动态内存管理）：

template<typename T> class LinkedStack
 { private:     
struct Node {         
T       data;         Node*   next;
     };     Node*   head; 
public:     void    push(T value) {         Node* newNode = new Node{value, head};         head = newNode;     }     T       pop() {         Node* temp = head;         head = head->next;         T val = temp->data;         delete temp;         return val;     } }; 

标准库栈（推荐生产环境使用）：

#include <stack> int main() 
{     
std::stack<int> s;   
  s.push(1);          // 入栈   
  int val = s.top();  // 访问栈顶   
  s.pop();            // 出栈    
 return 0; 
} 

1.2 基础应用场景

括号匹配检测：通过栈验证表达式合法性

进制转换：利用栈实现十进制到其他进制的转换

撤销操作：编辑器中的撤销功能本质是栈的应用

二、进阶篇：栈的深度优化与扩展应用

2.1 循环栈与空间优化

通过模运算实现环形缓冲区，避免频繁内存分配：

int top = -1; int size = 10; 
int* arr = new int[size]; 
void push(int val) {     
arr[++top % size] = val; 
} 
int pop() {     
return arr[top-- % size]; 
} 

2.2 多线程安全栈

结合互斥锁实现线程安全操作：

#include <mutex> std::mutex mtx; std::stack<int> s;
 void threadSafePush(int val) {     
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);    
 s.push(val); } int threadSafePop() {     
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);     
return s.empty() ? -1 : s.pop(); } 

2.3 高级应用案例

递归转迭代：用显式栈替代系统调用栈

深度优先搜索（DFS）：栈实现非递归版DFS

表达式求值：结合逆波兰算法处理复杂运算

2.4 性能对比与选型建议

实现方式

平均操作耗时

内存开销

适用场景

标准库<stack>

最低

中等

生产环境

链表实现

中等

动态分配

需要动态扩容的场景

数组实现

最高

固定预分配

实时性要求高的系统