栈

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本文详细讲解了栈的结构和操作用C语言的基本实现

概念

栈是一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素的操作，进行数据的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

压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入的数据在栈顶

出栈：栈的删除操作叫做出栈，出的数据也在栈顶

栈的结构就像平常所见的羽毛球桶一样，从顶端放入羽毛球，从顶端取出羽毛球

如下图，入栈的顺序是1，2，3，那么出栈顺序就是3，2，1
栈的结构示意图
栈可以使用链表实现，为了方便理解，降低难度，这篇文章中我们使用数组实现

如果想尝试链表实现但还不会链表，可以看我之前写的这篇文章：链表

接下来，我们用代码来实现栈的结构以及它的相关操作

代码实现

栈结构

栈的内部，有一个数组用于存放数据，因为栈是可以直接获取顶端元素的，因此还要有一个记录元素个数的整型，为了实现数组的扩容，还需要一个整型用于记录当前数组的容量

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typedef int STDataType;//方便修改储存的数据类型

typedef struct Stack
{
	STDataType* a;//保存数据
	int top;//记录数据个数
	int capacity;//记录数组容量
}ST;

初始化

对栈的结构进行初始化

函数的接口处传入栈的指针
1.对栈的指针断言，如果指针为空则结束程序
2.将数组置空
3.将元素个数和容量初始化为0

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void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);

	pst->a = NULL;
	//top指向栈顶元素的下一个数据
	pst->top = 0;
	pst->capacity = 0;
}

相信你已经看到上面代码注释中，==top指向栈顶元素的下一个数据==，这是为什么呢?
我们在前面讲到，栈使用数组保存数据，top记录数据个数，而数组元素下标是从0开始的。如果top指向栈顶元素，那么当top=0时，top指向数组首元素(即此时有栈顶数据)，但是数据个数为0，两者相悖。

因此在这里规定top指向栈顶的下一个位置，那么栈顶应该为top-1

销毁

对栈的内存占用进行销毁

函数的接口传入栈的指针
1.断言栈指针
2.将数组置空
3.将元素个数和容量置0

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void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);

	pst->a = NULL;
	pst->top = pst->capacity = 0;
}

入栈

从栈顶压入数据

扩容

用newcapacity保存新的容量，如果容量为0那么新容量赋值为4，否则容量扩大为原来的2倍

为了平衡内存和使用性能，一般扩容的倍数是1.5或2倍

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int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;

STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newcapacity *sizeof(STDataType));

入栈函数

函数接口传入栈指针和新数据x
1.断言栈指针
2.判断元素个数是否和容量相等，如果相等进行扩容
3.判断tmp是否为空指针，如果为空说明空间开辟失败
4.将新容量和空间赋值给capacity和a
5.将x赋值给栈顶的下一个位置
6.元素个数top加1

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void STPush(ST* pst, STDataType x)
{
	assert(pst);
	//扩容
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}

		pst->a = tmp;
		pst->capacity = newcapacity;
	}

	pst->a[pst->top] = x;
	pst->top++;
}

出栈

删除栈顶元素

函数接口传入栈指针
1.断言栈指针
2.断言元素个数，如果个数为0则不能出栈
3.元素个数top减1，此时无法访问栈顶数据，相当于栈顶被删除

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void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(pst->top > 0);

	pst->top--;
}

取栈顶

获取栈顶数据

函数接口传入栈指针，返回栈顶数据
1.断言栈指针和元素个数
2.将栈顶元素返回

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STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(pst->top > 0);

	return pst->a[pst->top - 1];
}

判空

判断栈是否为空

函数接口传入栈指针，返回bool类型值
1.断言栈指针
2.直接返回比较结果

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bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);

	return pst->top == 0;
}

获取数据个数

 
函数接口传入栈指针，返回整型
1.断言栈指针
2.直接返回栈的数据个数

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int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);

	return pst->capacity;
}

注意

在对结构体或类进行操作时，即使像获取个数、判空这种一行可以实现的功能，也不要直接访问，而是通过函数实现
例如下面的代码就是一种危险操作：

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ST stack;
if(stack.capacity == 0)//直接对结构体进行访问
{
	printf("栈为空\n");
}

没有函数内部加以限制，直接访问可能会错误修改数据或者访问的并不是想要的数据

因此为了提高安全性，一定要通过封装好的方法函数访问内部数据

如果文章内容有误，欢迎指出