【C语言】链式堆栈实现

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前言

近期在学习C的链表
学习了一位博主的博客：详解堆栈的几种实现方法——C语言版
对链式堆栈有了一些见解，本文就介绍了有关链式堆栈的基础内容。

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一、堆栈是什么

首先我们来简单聊聊什么是堆栈？
堆栈是一种数据结构。堆栈都是一种数据项按序排列的数据结构，只能在一端(称为栈顶(top))对数据项进行插入和删除。
在此规则下，连续压栈后再进行出栈，第一个压入栈的数据只能是最后一个出栈，最后一个压入栈的数据是第一个出栈的。
也就是我们常说的先进后出（FILO——First-In / Last-Out）

堆栈可以使用 “静态数组”、“动态分配的数组”、“动态分配的链式结构” 来实现。本文使用的方案是动态分配的链式结构。

链式结构的优点：无长度上限，需要的时候再申请分配内存空间，可最大程度上实现灵活性。
缺点：链式结构的链接字段需要消耗一定的内存，在链式结构中访问一个特定元素的效率不如数组。

二、实现过程

遵循一个.c文件对应一个.h文件的原则，本次代码分为 “stack.c”、“stack.h” 两个程序进行编写

stack.h文件

#ifndef __STACK_H_
#define __STACK_H_

#define STACK_TYPE int			
//将int替换成STACK_TYPE，方便后期更换栈的数据类型

int is_empty(void);				//判断栈是否为空
void push(STACK_TYPE value);	//压栈
void pop(void);					//出栈
STACK_TYPE get_top(void);		//获取栈顶数据
void destory_stack(void);		//销毁栈
void print(void);				//打印栈中数据

#endif

1、结构体定义

typedef struct STACK_NODE {
	STACK_TYPE data;			//data域
	struct STACK_NODE *next;	//next域
}StackNode;

对于堆栈来说，最重要的就是压栈和出栈了

2、压栈

堆栈就像一个瓶子，压栈就像是往瓶子里放东西
所谓压栈，就是将数据一个一个的压入栈中

定义好结构体后，先创建一个未定义的结构体指针，这时head指向为空
（head为全局变量，并且没给初值，所以存储在bss段，默认值是null）

StackNode *head;

那么在第一个数据被压入栈的时候
在压栈的过程中，head是全局变量，由于未给初值，存放在数据段中的bss段
创建的new_node指针由于是局部变量，存放于栈区，push函数使用完new_node指针后，new_node指针就会自动消亡，无需担心该指针会变成野指针，所以在使用完new_node指针后无需将其指向NULL
malloc分配的结构体地址空间是存在于堆区的，直到使用free()函数将其释放或者程序停止。

压栈的过程：

• ①、创建一个结构体指针new_node
• ②、new_node指针 指向 malloc动态分配给结构体地址空间的 首地址
• ③、将数据赋值给new_node指针指向的data域
• ④、将head指向的地址存放到new_node指向的next域中，因为head是全局变量，且head未定义初始值，所以默认指向为NULL
• 这个时候，将head所指向的空地址赋值给new_node指向的next域，新节点指向NULL
• ⑤、取new_node指针地址空间中的地址（新节点的首地址），赋给head的地址空间，这时head就指向了新节点的首地址（head指针的地址空间存放的就是新节点的首地址）
• ⑥、到此，数据压栈就完成了

下次的新节点入栈也是一样的原理

下面是具体程序：

/*
 * push data to Stack
 */
void push(STACK_TYPE value) {
	StackNode *new_node;
	new_node = (StackNode *)malloc(sizeof(StackNode));
	if (new_node == NULL)
		perror("malloc fail");
	new_node->data = value;
	new_node->next = head;
	head = new_node;
}

3、出栈

出栈的原理是和压栈反过来的，具体是要把栈顶节点释放掉，让head指向下一节点。

• ①、判断该栈是否为空
• ②、创建一个结构体指针top_node
• ③、把 “head指向的地址（栈顶的首地址）” 传给 “top_node”，这时“top_node”指向栈顶
• ④、把 “栈顶next域存放的地址（下一节点的首地址）” 传给 “head”，这时 “head” 指向下一节点
• ⑤、把 “top_node指针指向的地址空间” 释放掉，释放掉malloc在堆区分配给它的地址空间。（Ps：如果不free()掉内存空间，会导致内存泄漏）到此，出栈就完成了。

下面是具体程序：

/*
 * pop data from Stack
 */ 
void pop(void) {
	assert(!is_empty());
	StackNode *top_node;
	top_node = head;
	head = top_node->next;
	free(top_node);
}

4、判断栈是否为空

• 直接判断 head是否指向为空
• 如果指向为空，则说明该栈为空
• 如果指向不为空，则说明该栈有数据，不为空

/*
 * Is the stack empty?
 * return: 
 * 0 - is not empty
 * 1 - empty
 */
int is_empty(void) {
	return head == NULL;
}

5、获取栈顶数据

• ①、判断栈是否为空
• ②、返回指向的节点的data域

/*
 * Get the top of the Stack data 
 */
STACK_TYPE get_top(void) {
	assert(!is_empty());
	return head->data;
}

6、 销毁栈

• 销毁栈其实就相当于把栈中的节点一个一个弹出来
• 所以只需要判断栈是否为空
• 不为空则弹出栈顶的节点，反复弹出，直到栈为空为止

/*
 * Destory Stack
 */
void destory_stack(void) {
   	while (!is_empty()) {
		pop();       
   	}           
}

三、详细代码

1、stack.h

#ifndef __STACK_H_
#define __STACK_H_

#define STACK_TYPE int			
//将int替换成STACK_TYPE，方便后期更换栈的数据类型

int is_empty(void);				//判断栈是否为空
void push(STACK_TYPE value);	//压栈
void pop(void);					//出栈
STACK_TYPE get_top(void);		//获取栈顶数据
void destory_stack(void);		//销毁栈
void print(void);				//打印栈中数据

#endif

2、stack.c

#include "stack.h"
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
#include <assert.h>

typedef struct STACK_NODE {
	STACK_TYPE data;			//data域
	struct STACK_NODE *next;	//next域
}StackNode;

StackNode *head;

/*
 * push data to Stack
 */
void push(STACK_TYPE value) {
	StackNode *new_node;
	new_node = (StackNode *)malloc(sizeof(StackNode));
	if (new_node == NULL)
		perror("malloc fail");
	new_node->data = value;
	new_node->next = head;
	head = new_node;
}

/*
 * pop data from Stack
 */ 
void pop(void) {
	assert(!is_empty());
	StackNode *top_node;
	top_node = head;
	head = top_node->next;
	free(top_node);
}

/*
 * Is the stack empty?
 * return: 
 * 0 - is not empty
 * 1 - empty
 */
int is_empty(void) {
	return head == NULL;
}

/*
 * Get the top of the Stack data 
 */
STACK_TYPE get_top(void) {
	assert(!is_empty());
	return head->data;
}

/*
 * Destory Stack
 */
void destory_stack(void) {
   	while (!is_empty()) {
		pop();
   	}
}

/*
 * print Stack information
 */
void print(void) {
	StackNode *node;
	node = head;
	printf("Stack data: ");
	if (node == NULL) {
		printf("NULL\n");
	} else {
		while (node != NULL) {
			printf("%d ", node->data);
			node = node->next;	
		}
		printf("\n");
		printf("Stack Top data is : %d\n", get_top());
	}
	printf("\n");
	
}

/*
 * The main function
 */
int main (void) {
	print();	
	printf("push data\n");
	push(10); push(8); push(6); 
	push(4);  push(2); push(0);
	print();
	
	printf("pop data\n");
	pop(); pop();
	print();
	printf("Destory Stack\n");
	destory_stack();
	print();
	return 0;
} /*-----End of main function-----*/

实现效果

总结

以上是对链表的一些理解，如有写的不好的地方，还请各位大佬不吝赐教。