【数据结构】栈及其实现

news2024/11/29 3:52:11

🤠前言

什么是栈？

栈的定义及初始化

栈的定义

栈的初始化

栈的判空

栈顶压栈

栈顶出栈

栈的数据个数

栈的销毁

完整代码

总结

🤠前言

学了相当长一段时间的链表，总算是跨过了一个阶段。从今天开始我们将进入栈和队列的学习，相比于链表可以说是有手就行的难度，所以各位老铁可以轻松一波啦，不必太担心。
栈和队列我们分开来讲，本篇主要详解栈及其实现
栈的特点是先进后出，后进先出（LIFO），这一特点以及进一步运用（单调栈）是一些算法题的突破口，后续我也会分享LeetCode的一些题，希望大家关注点点，以免错过哦！

什么是栈？

我们前面学习的顺序表（数组）以及链表可以说是数据结构的物理结构，而栈和队列则是数据结构的逻辑结构。

这是什么意思呢？

如果把数据结构比作活生生的人，那么物理结构就是人的血肉和骨骼，看得见摸得着，在内存中也实际存储这；逻辑结构则是思想灵魂，看不见摸不着，它依赖于物理结构而存在。

简而言之，栈和队列其实都是由数组或者链表实现的，不过在此基础上加了一些限制条件以适用于不同场景，将其抽化成了一个数据结构

栈的定义及初始化

栈的定义

我们采用数组的方式实现栈，因为数组比链表的缓存命中率更高（粗暴点来说cpu访问的速度会更快，访问没用的信息的数量会减少，这里就不具体展开了）。
还是定义一个结构体来实现栈，分别为数组（此处应该用malloc，这样不够的时候可以扩容）
top用来表示栈顶，因为栈只在栈顶一段进行操作
capacity用来记录栈的容量。

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	int top;
	int capacity;
	STDataType* a;
}ST;

栈的初始化

在进行插入的时候再开辟空间，为了防止野指针问题，将a置为NULL，capacity显而易见应该也为0
关于top就有一点讲究，如果top置为0则指向最后一个数据的下一个，如果置为-1则指向最后一个有效数据。因为每次插入数据后top才++，不是很理解的小伙伴们可以画一个数组模拟一下。
我们这里就将top初始化为0，其也间接体现了存储数据的个数。
当然传进来的栈不能为空指针啦，不然相当于栈都还没创建，老生常谈的问题了，每个函数接口前都要assert暴力断言一下，下文就不赘述了

以下为函数接口实现：

void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);

	ps->capacity = ps->top = 0;//指向最后一个数据的下一个
	ps->a = NULL;
}

栈的判空

上文提到top间接表示了存储数据的个数，所以我们直接判断top是否为0即可。

以下为函数接口实现：

bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}

栈顶压栈

在数据结构中的学习当中，插入数据往往需要考虑扩容的问题，此处也是。当top==capacityd的时候我们就扩容
插入后top需要++一下，而扩容后capacity则需要更新（易忘）
这里应该包括了当top==0的情况，因为初始化的时候没有开辟空间

什么是栈/Java中的栈（栈定义/栈的时间复杂度/实现一个栈/栈的动态扩容）含示例代码_Isaac_Gao的博客-CSDN博客

以下为函数接口实现：

void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	
	//当内存满了则需要扩容
	if (ps->top== ps->capacity)
	{
		int newcapacity = (ps->capacity == 0) ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType *tmp=(STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail\n");
			return;
		}
		else
		{
			ps->capacity = newcapacity;
			ps->a = tmp;
		}
	}
	//没满就直接压栈即可
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

栈顶出栈

删除数据，往往需要考虑数据结构是否为空的情况，这里就可以用到上文的StackEmpty函数接口了，增加了代码的可读性
和顺序表删除数据一样，只需要top--即可，并不需要真的抹除其数据，下次入栈的时候新的数据就会覆盖原来的数据。
capacity不需要变化，因为其表示栈的容量

以下为函数接口实现：

void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->top--;
}

栈的数据个数

上文说了top初始化为0的时候代表数据个数，所以这里直接返回top即可
数据个数一定为整数，所以用int即可，unsigned int也行

以下为函数接口实现：

int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top;
}

获取栈顶元素

函数返回类型应该为数组存储的数据类型，而不要思维固化的写为int
因为top初始化为0，指向最后一个数据的下一个位置，所以我们要返回top-1位置的数据
当栈为空的时候肯定获取不了啦，所以这里还是assert断言爆打

以下为函数接口实现：

STDataType StackTop(ST* ps)//获得栈顶元素
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

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

栈的销毁

切记不可直接free掉代表栈的结构体就以为把栈销毁了，要先free掉结构体里的数组，然后再free掉代表栈的结构体，不然会内存泄漏！！！

以下为函数接口实现：

void StackDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);

	free(ps->a);
	free(ps);
}

完整代码

void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);

	ps->capacity = ps->top = 0;//指向最后一个数据的下一个
	ps->a = NULL;
}

bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	
	//当内存满了则需要扩容
	if (ps->top== ps->capacity)
	{
		int newcapacity = (ps->capacity == 0) ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType *tmp=(STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail\n");
			return;
		}
		else
		{
			ps->capacity = newcapacity;
			ps->a = tmp;
		}
	}
	//没满就直接压栈即可
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}
void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->top--;
}
STDataType StackTop(ST* ps)//获得栈顶元素
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->a[ps->top-1];
}
int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top;
}

void StackDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);

	free(ps->a);
	free(ps);
}