栈的存储结构和常见操作（c 语言实现）

俗话说得好，线性表（尤其是链表）是一切数据结构和算法的基础，很多复杂甚至是高级的数据结构和算法，细节处，除去数学和计算机程序基础的知识，大量的都在应用线性表。

一、栈

其实本质还是线性表：限定仅在表尾进行插入或删除操作。 俗称：后进先出 (LIFO=last in first out结构)，也可说是先进后出（FILO）。

同样的，栈也分为顺序和链式两大类。其实和线性表大同小异，只不过限制在表尾进行操作的线性表的特殊表现形式。

1、顺序栈：利用一组地址连续的存储单元依次存放自栈底到栈顶的数据元素，同时附设指针 top 指示栈顶元素在顺序栈中的位置，附设指针 base 指示栈底的位置。 同样，应该采用可以动态增长存储容量的结构。且注意，如果栈已经空了，再继续出栈操作，则发生元素下溢，如果栈满了，再继续入栈操作，则发生元素上溢。栈底指针 base 初始为空，说明栈不存在，栈顶指针 top 初始指向 base，则说明栈空，元素入栈，则 top++，元素出栈，则 top--，故，栈顶指针指示的位置其实是栈顶元素的下一位（不是栈顶元素的位置）。

#ifndef _____ADT__
#define _____ADT__
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define STACK_SIZE 50
#define STACK_INCREMENT 10

typedef struct{
    int stackSize;//栈容量
    char *base;//栈底指针
    char *top;//栈顶指针
} SqStack;

//初始化
//本质还是使用动态数组
void initStack(SqStack *s)
{
    s->base = (char *)malloc(STACK_SIZE * sizeof(char));
    //分配成功
    if (s->base != NULL) {
        //空栈
        s->top = s->base;
        s->stackSize = STACK_SIZE;
    }
    else
    {
        puts("分配失败！");
    }
}

//判空
bool isEmpty(SqStack s)
{
    return s.top == s.base ? true : false;
}

//判满
bool isFull(SqStack s)
{
    return (s.top - s.base) >= STACK_SIZE ? true : false;
}

//求当前长度
int getLength(SqStack s)
{
    int i = 0;
    char *q = s.top;
    
    while (q != s.base) {
        q--;
        i++;
    }
    
    return i;
}

//求栈顶元素
char getTop(SqStack s, char topElement)
{
    if (isEmpty(s)) {
        puts("栈空！");
    }
    
    topElement = *(s.top - 1);
    return topElement;
}

//入栈
void push(SqStack *s, char topElement)
{
    char *q = NULL;
    
    if (isFull(*s)) {
        q = (char *)realloc(s->base, STACK_INCREMENT * sizeof(char));
        
        if (NULL == q) {
            exit(0);
        }
        
        s->base = q;
        s->stackSize = s->stackSize + STACK_INCREMENT;
    }
    //进栈
    *s->top++ = topElement;
}

//出栈
void pop(SqStack *s, char *topElement)
{
    if (isEmpty(*s)) {
        exit(0);
    }
    
    s->top--;
    *topElement = *s->top;
}

//遍历
void traversal(SqStack s)
{
    for (int i = 0; i < getLength(s); i++) {
        printf("栈中元素遍历：%c \n", s.base[i]);
    }
}

//清空
void cleanStack(SqStack *s)
{
    if (!isEmpty(*s)) {
        s->top = s->base;
        puts("栈已经清空！");
    }
}

//销毁
void destroyStack(SqStack *s)
{
    if (s->base != NULL) {
        free(s->base);
        s->base = NULL;
        s->top = NULL;
        s->stackSize = 0;
        puts("栈成功销毁！");
    }
}

#endif /* defined(_____ADT__) */

 函数: void exit(int status);    所在头文件：stdlib.h

 功 能: 关闭所有文件，终止正在执行的进程。

 exit(1)表示异常退出.这个1是返回给操作系统的。

 exit(x)（x不为0）都表示异常退出

 exit(0)表示正常退出

 exit()的参数会被传递给一些操作系统，包括UNIX,Linux,和MS DOS，以供其他程序使用。

 

 exit()和return的区别：

 按照ANSI C，在最初调用的main()中使用return和exit()的效果相同。 但要注意这里所说的是“最初调用”。如果main()在一个递归程序中，exit()仍然会终止程序；但return将控制权移交给递归的前一级，直到最初的那一级，此时return才会终止程序。

return和exit()的另一个区别在于，即使在除main()之外的函数中调用exit()，它也将终止程序。

 

 _exit()与exit的区别：

 头文件不同：

 exit:#include<stdlib.h>

 _exit:#include<unistd.h>

 _exit()函数:直接使进程停止运行,清除其使用的内存空间,并销毁其在内核中的各种数据结构;

 exit()函数则在这些基础上作了一些包装,在执行退出之前加了若干道工序。比如系统调用之前exit（）要检查文件的打开情况,把文件缓冲区中的内容写回文件。

 

#include "ADT.h"

int main(void) {
    char temp = '0';
    SqStack stack;
    initStack(&stack);
    
    printf("%d\n", getLength(stack));
    
    push(&stack, 'b');
    push(&stack, 'k');
    push(&stack, 'y');
    
    printf("%d\n", getLength(stack));
    // 函数使用temp之前必须初始化
    temp = getTop(stack, temp);
    printf("%c\n", temp);
    
    traversal(stack);
    
    pop(&stack, &temp);
    printf("%d\n", getLength(stack));
    
    traversal(stack);
    
    cleanStack(&stack);
    
    destroyStack(&stack);
    
    return 0;
}

测试结果：

0

3

y

栈中元素遍历：b 

栈中元素遍历：k 

栈中元素遍历：y 

2

栈中元素遍历：b 

栈中元素遍历：k 

栈已经清空！

栈成功销毁！

Program ended with exit code: 0 

---

 

顺序栈的小结：

1）、尽量使用指向结构的指针做函数参数，这样的操作比结构体变量作函数参数效率高，因为无需传递各个成员的值，只需传递一个结构的地址，且函数中的结构体成员并不占据新的内存单元，而与主调函数中的成员共享存储单元。这种方式还可通过修改形参所指成员影响实参所对应的成员值。

2）、栈清空，一定是栈顶指向栈底，不可颠倒，否则析构出错！

3）、再次注意二级指针和一级指针做函数参数的不同

4）、使用一个指针变量之前，必须初始化，不为指针分配内存，即指针没有指向一块合法的内存，那么指针无法使用，强行运行出错，这就是野指针的危害。类似其他类型变量都是如此，（这也是为什么建议声明变量的同时就立即初始化，哪怕是一个不相干的数值），就怕程序写的复杂的话，一时忘记变量是否初始化，导致出错。

5）、为什么顺序栈（包括顺序表）在初始化函数的传入参数里不用二级指针传参？

    个人理解：

　 首先清楚函数传参的类型，值传递，引用（c++）传递，和指针传递，且函数修改的是实参的一份拷贝，并不是直接去修改实参。 

    问题是，在之前的链表里，定义结点结构（ Node）和指向结点的指针 p，有 struct Node *p；为了给结点分配内存，把这个指针（p本身占据一份内存空间，在栈区操作系统分配，但是 p 的指向是没有初始化的）p 传入初始化函数内，等于是传入的指向结点Node的一个指针 p 的拷贝 _p，而这个拷贝 _p 本身（假设指针变量p自己在内存的地址是0x1111）和拷贝 _p 存储的（指针 p指向的 内存区域）内容是不一样的，此时给 拷贝 _p 使用malloc函数分配内存，看似是修改了 _p ，实际上是把 _p 指向的内存区域改变了， p 本身在内存的地址（0x1111）没有被改变，故函数执行完毕，栈分配的内存被操作系统回收，然后参数返回给主调函数，那份拷贝 _p 还是以前传入的那份拷贝 _p， 高矮胖瘦那是纹丝未动，故不会对实参起到修改的作用，完全类似值传递，在值传递，就是把实参的本身的值传入函数，如果函数内部对其拷贝进行修改，其实传入的参数本身并没有被改变，虽然函数体内，他的值被修改了，但是一旦函数执行完，栈的内存被系统回收，修改就变得徒劳。

 

    顺序栈里，一般是定义的整个表List结构，struct List p；变量p 就是一个实例化的栈结构，注意 p 已经分配了内存（主调函数 main ，操作系统在栈区给p分配），这和主调函数里链表的指针 p 不一样，链表的指针 p 在 main 函数，只是给指针本身分配了内存空间，但是对 其指向的表结点没有分配，需要在初始化函数初始化！故到了顺序栈里，当给函数传入&p（因为开始main 已经给栈结构分配了内存空间，而&p 是栈结构 p 在内存的地址0x1111，也就是栈本身的首地址，也是 base指向的栈的基址），同样是传入一份拷贝 _&p ，且不是给 _&p  malloc 内存，而是给 _&p 指向的内容分配空间—— (&p)->base（表的基地址）分配内存，也就是说，这里堆 p 修改也是没用的，但是对 p 的指向修改，也就是 base，是有用的。而 base 本身就是一个指针，p 其实和 base 值相等，只不过变量的类型不一样，故不需要再传入二级指针。

 

6）、初始化那里，其实写的不好，主调函数里 s 分配了内存，如果没有对这个结构体初始化，就不代表 s 的成员 base 或者 top 等就是有指向的，更别说 NULL 了。很大程度是指向是垃圾值，不确定的内存区域，故这里的判断

 if (s->base != NULL)

在这个前提下，是没有用处的语句。故还是声明变量的同时，最好是初始化，哪怕是0或者 NULL。 

 

2、链栈

其实就是链表的特殊情形，一个链表，带头结点，栈顶在表头，插入和删除（出栈和入栈）都在表头进行，也就是头插法建表和头删除元素的算法。显然，链栈还是插入删除的效率较高，且能共享存储空间。

是栈顶在表头！栈顶指针指向表头结点。栈底是链表的尾部，base 就是尾指针。还有，理论上，链式结构没有满这一说，但是理论上是这样的，也要结合具体的内存，操作系统等环境因素。

#ifndef _____ADT__
#define _____ADT__
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct Node{
    char data;
    struct Node *next; //next 指针
} Node, *ListStack;

//初始化头结点，top 指针指向头结点
void initStack(ListStack *top)
{
    //top就是头指针！也就是栈顶指针
    *top = (ListStack)malloc(sizeof(Node));
    //就一个结点，也就是空栈，其实和链表一样，没啥意思
    (*top)->next = NULL;
    //内容初始化
    (*top)->data = '0';
}

//判空
bool isEmpty(ListStack top)
{
    //栈顶指针的next==NULL 就是空栈，没有满的判断，但是也要悠着点。小心内存受不了。
    return top->next == NULL ? true : false;
}

//入栈
void push(ListStack top, char topElement)
{
    ListStack q = NULL;
    q = (ListStack)malloc(sizeof(Node));
    
    if (NULL == q) {
        exit(0);
    }
    //类似头插法建表，进栈
    q->next = top->next;
    top->next = q;
    //赋值
    top->data = topElement;
    //栈底永远是表尾指针
}

//出栈
void pop(ListStack top, char *topElement)
{
    ListStack p = NULL;
    
    if (isEmpty(top)) {
        exit(0);
    }
    //栈顶元素出栈，记住，栈顶指针永远是指向栈顶元素的下一位，p 指向栈顶元素
    p = top->next;
    *topElement = p->data;
    //删除这个元素
    top->next = p->next;
    free(p);
}

//求当前长度
int getLength(ListStack top)
{
    int i = 0;
    ListStack q = top->next;
    
    while (q != NULL) {
        i++;
        q = q->next;
    }
    
    return i;
}

//求栈顶元素
char getTop(ListStack top, char topElement)
{
    if (isEmpty(top)) {
        puts("栈空！");
    }
    
    topElement = top->next->data;
    return topElement;
}

//遍历
void traversal(ListStack top)
{
    ListStack p = top->next;
    
    for (int i = 0; i < getLength(top); i++) {
        printf("栈中元素遍历：%c \n", p->data);
        p = p->next;
    }
}

//销毁
void destroyLinkStack(ListStack *top)
{
    ListStack p = *top;
    ListStack pn = (*top)->next;
    
    while (pn != NULL)
    {
        free(p);
        p = pn;
        pn = pn->next;
    }
    //销毁最后一个
    free(p);
    p = NULL;
    puts("栈成功销毁！");
}

#endif /* defined(_____ADT__) */

main 函数

#include "ADT.h"

int main(void) {
    ListStack stack = NULL;
    initStack(&stack);
    
    printf("栈长度 = %d\n", getLength(stack));
    
    push(stack, 'a');
    push(stack, 'b');
    push(stack, 'c');
    push(stack, 'd');
    
    printf("栈长度 = %d\n", getLength(stack));
    
    traversal(stack);
    
    char temp = '0';
    printf("栈顶元素 = %c\n", getTop(stack, temp));
    pop(stack, &temp);
    
    printf("栈长度 = %d\n",getLength(stack));
    
    traversal(stack);
    
    destroyLinkStack(&stack);
    
    return 0;
}

其实链栈和链表是一样的，没什么新鲜的东西。可见，线性表，尤其是链表，是数据结构和算法里的重中之重，后续很多复杂高级的数据结构和算法，都会无数次的用到链表的相关知识和概念。

 

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