如何自己实现一个栈

深碍√TFBOYSˉ_ 2022-03-06 01:28 270阅读 0赞

## 前言 ##

栈是一种应用广泛的数据结构，例如函数的调用就需要使用栈，其实我们在介绍《[快速排序优化详解][Link 1]》的时候也使用到了栈结构。栈最鲜明的特点就是后进先出，一碟盘子就是类似这样的结构，最晚放上去的，可以最先拿出来。本文将介绍的是如何自己实现一个栈结构。

## 栈的操作 ##

栈的常见操作有出栈(POP)，从栈中弹出一个元素；入栈(PUSH)，将一个元素压入栈中，访问栈顶元素(TOP)，判断栈是否为空等。

## 栈的实现 ##

栈是较容易实现的抽象数据结构之一。我们可以选择数组或者链表来实现，它们各有特点，前者容量有限且固定，但操作简单，而后者容量理论上不受限，但是操作并不如数组方便，每次入栈要进行内存申请，出栈要释放内存，稍有不慎便造成内存泄露。本文对两种实现都做介绍。

## 数组实现栈 ##

用数组实现栈是比较容易的。这个时候的栈其实更像是访问受限的数组，数组可以通过下标访问，查找，插入等，但是栈只能从栈顶，或者说数组的末尾进行操作。我们只需要一个指针记录栈顶即可。有人可能问了，既然这里栈是访问受限的数组，为什么不直接使用数组呢？所谓能力越大，责任越大，而你暴露的越多，风险也越大就是如此。

我们来看一下数组实现栈的时候，栈的操作都是怎么实现的呢？

#### 定义栈 ####

用数组实现栈时是很容易定义的，只要定一个固定长度的数组即可，然后使用一个指针或者数组下标标记栈顶（topOfStack），栈为空时，它是-1：

#define STACK_SIZE 64 /*栈大小*/
    #define TOP_OF_STACK -1 /*栈顶位置*/
    typedef int ElementType /*栈元素类型*/
    typedef struct StackInfo
    {
         
        int topOfStack; /*记录栈顶位置*/
        ElementType stack[STACK_SIZE]; /*栈数组，也可以使用动态数组实现*/
    }StackInfo_st;
    
    /*创建栈*/
    StackInfo_st stack;
    stack.topOfStack = TOP_OF_STACK;

#### 入栈 ####

入栈操作也很简单，只需要先将topOfStack加1，然后将元素放入数组即可。当然特别要注意检查此时栈是否已满。  
topOfStack = -1

将1入栈，此时topOfStack = 0，

<table> 
 <thead style="font-size:inherit;color:inherit;line-height:inherit;"> 
  <tr style="font-size:inherit;color:inherit;line-height:inherit;border-width:1px 0px 0px;border-top-style:solid;border-top-color:rgb(204,204,204);"> 
   <th style="color:inherit;line-height:inherit;font-size:1em;border-top-width:1px;border-color:rgb(204,204,204);text-align:left;">topOfStack</th> 
   <th style="color:inherit;line-height:inherit;font-size:1em;border-top-width:1px;border-color:rgb(204,204,204);text-align:left;"><br></th> 
   <th style="color:inherit;line-height:inherit;font-size:1em;border-top-width:1px;border-color:rgb(204,204,204);text-align:left;"><br></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody style="font-size:inherit;color:inherit;line-height:inherit;border-width:0px;"> 
  <tr style="font-size:inherit;color:inherit;line-height:inherit;border-width:1px 0px 0px;border-top-style:solid;border-top-color:rgb(204,204,204);"> 
   <td style="color:inherit;line-height:inherit;font-size:1em;border-color:rgb(204,204,204);">1</td> 
   <td style="color:inherit;line-height:inherit;font-size:1em;border-color:rgb(204,204,204);"><br></td> 
   <td style="color:inherit;line-height:inherit;font-size:1em;border-color:rgb(204,204,204);"><br></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

代码实现：

#define SUCCESS 0
    #define FAILURE -1
    /*入栈，0表示成功，非0表示出错*/
    int stack_push(StackInfo_st *s, ElementType value)
    {
        
        if(stack_is_full(s))
            return FAILURE;
        /*先增加topOfStack，再赋值*/
        s->topOfStack++;
        s->stack[s->topOfStack] = value;
        return SUCCESS;
    }

#### 出栈或访问栈顶元素 ####

与入栈相反，先访问元素，然后将topOfStack减1，但是此时要注意检查栈是否已空。访问栈顶元素可直接使用下标访问，而不用将topOfStack减1。

/*出栈*/
    int stack_pop(StackInfo_st *s,ElementType *value)
    {
        
        /*首先判断栈是否为空*/
        if(stack_is_empty(s))
            return FAILURE;
        *value = s->stack[s->topOfStack];
        s->topOfStack--;
        return SUCCESS;
    }
    /*访问栈顶元素*/
    int stack_top(StackInfo_st *s,ElementType *value);
    {
        
        /*首先判断栈是否为空*/
        if(stack_is_empty(s))
            return FAILURE;
        *value = s->stack[s->topOfStack];
        return SUCCESS;
    }

#### 判断栈是否满 ####

只要判断topOfStack与数组大小-1的大小即可。

/*判断栈是否已满，满返回1，未满返回0*/
    int stack_is_full(StackInfo_st *s)
    {
        
        return s->topOfStack == STACK_SIZE - 1;
    }

#### 判断栈是否为空 ####

只需要判断topOfStack是否小于等于-1即可。

/*判断栈是否为空，空返回1，非空返回0*/
    int stack_is_empty(StackInfo_st *s)
    {
        
        return s->topOfStack ==  - 1;
    }

#### 完整可运行代码 ####

代码较长，可点击阅读原文查看或访问：  
https://www.yanbinghu.com/2019/03/16/31765.html

## 链表实现栈 ##

与数组实现栈不一样的地方是，链式栈可以动态扩容，基本没有长度限制（受限于内存）。另外，它在入栈以及出栈的时候需要申请或者释放内存。

#### 创建栈 ####

创建栈很容易，只需要声明一个头指针即可，它的next指针指向栈顶，初始时为空：

/*定义栈结构*/
    typedef struct StackInfo
    {
         
        ElementType value; /*记录栈顶位置*/
        struct StackInfo *next; /*指向栈的下一个元素*/
    }StackInfo_st;
    
    /*创建栈，外部释放内存*/
    StackInfo_st *createStack(void)
    {
        
        StackInfo_st *stack = malloc(sizeof(StackInfo_st));
        if(NULL == stack)
        {
        
            printf("malloc failed\n");
            return NULL;
        } 
            /*stack-next为栈顶指针*/
        stack->next = NULL;
        return stack;
    }

#### 入栈 ####

入栈只需要为新的元素申请内存空间，并将栈顶指针指向新的节点即可。

![640?wx\_fmt=png][640_wx_fmt_png] 入栈操作

/*入栈，0表示成功，非0表示出错*/
    int stack_push(StackInfo_st *s,ElementType value)
    {
        
        StackInfo_st *temp = malloc(sizeof(StackInfo_st));
        if(NULL == temp)
        {
        
            printf("malloc failed\n");
            return FAILURE;
        }
        /*将新的节点添加s->next前，使得s->next永远指向栈顶*/
        temp->value = value;
          temp->next = s->next;
        s->next = temp;
        return SUCCESS;
    }

#### 出栈或访问栈顶元素 ####

出栈时，将栈顶指针指向下下个节点，返回元素值，并释放栈顶指针下个节点的内存。而访问栈顶元素只需要返回栈顶指针指向节点的元素值即可。

![640?wx\_fmt=png][640_wx_fmt_png 1] 出栈

/*出栈*/
    int stack_pop(StackInfo_st *s,ElementType *value)
    {
        
        /*首先判断栈是否为空*/
        if(stack_is_empty(s))
            return FAILURE;
    
        /*找出栈顶元素*/
        *value = s->next->value;
        StackInfo_st *temp = s->next;
        s->next = s->next->next;
    
        /*释放栈顶节点内存*/
        free(temp);
        temp = NULL;
    
        return SUCCESS;
    }
    /*访问栈顶元素*/
    int stack_top(StackInfo_st *s,ElementType *value)
    {
        
        /*首先判断栈是否为空*/
        if(stack_is_empty(s))
            return FAILURE;
        *value = s->next->value;
        return SUCCESS;
    }

#### 判断栈是否为空 ####

判断栈空也很简单，只需要判断栈顶指针是否为空即可。

/*判断栈是否为空，空返回1，未空返回0*/
    int stack_is_empty(StackInfo_st *s)
    {
        
        /*栈顶指针为空，则栈为空*/
        return s->next == NULL;
    }

## 完整可运行代码 ##

代码较长，可点击阅读原文查看或访问：  
https://www.yanbinghu.com/2019/03/16/31765.html

## 总结 ##

本文介绍了栈的基本操作以及栈的基本实现。后面将会介绍一些栈的具体应用。

## 思考 ##

还记得如何使用GDB查看链表内容吗？参考《[GDB调试指南-变量查看][GDB_-]》。

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![640?wx\_fmt=jpeg][640_wx_fmt_jpeg]

[Link 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2OTA3NTk3Ng==&mid=2649284453&idx=1&sn=4174d0a2452b0790d54b1641740593da&chksm=f2f9ac02c58e25142fc92ff97ac8d47c37e7fa3c4a156822e9ed6d4968f4716f92de055772eb&scene=21#wechat_redirect
[640_wx_fmt_png]: /images/20220303/abc686fcd1064d73bc8676544c834bd1.png
[640_wx_fmt_png 1]: /images/20220303/ebb5c1b8daa04a5cb97fe6513ec56d19.png
[GDB_-]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2OTA3NTk3Ng==&mid=2649284526&idx=1&sn=17460ef228486c20356edfa87ac9b7da&chksm=f2f9acc9c58e25dff9b36acf0e34634aa9b9f306337d911407bf4d5cff55183476ea2a0a2fe0&scene=21#wechat_redirect
[640_wx_fmt_jpeg]: /images/20220303/ccca82470a13422b83aec3ce30a64d54.png