栈——C语言模拟

栈——C语言模拟

一、定义
根据wiki百科，栈(stack)，是一种特殊的串列形式的数据结构，是线性表的一种，一种_限制访问端口_的线性表。

栈的特殊之处在于只能在链接串列的一端，即栈顶(top)进行操作，在栈顶进行存入数据(push)，取出(pop).

推入:将数据放入栈的顶端，top+1.
弹出:将顶端数据资料输出，top-1.
也就是所谓的先进后出(LIFO，Last In First Out).

栈的存在价值
虽然说，栈实现的功能用数组和链表也可以实现，不过你不得不分神到考虑数组的下标增减、链表的指针指向等问题。

引用原作者的例子，就像我们明明有两只脚可以走路，算上游泳，理论上可以去到全球任何一个地方，那么为什么我们还要有汽车、火车、飞机一样。在向未来的发展过程中，我们需要考虑的更多的是在在抵达目的地之后的发展，这个抵达的过程已经成了我们继续发展的拖累。这时，优化移动方式就成了必然，让我们得以关注结果之后。

所以说，栈的引入简化了程序设计的问题，划分了不同关注层次，让人更聚焦于问题本身。比如C++，JAVA等的标准库都封装了栈的结构。

栈分为顺序栈和链式栈
两者的差别在哪里呢？为什么要特别用两种方法模拟呢？
时间复杂度上，两者都没有任何其他的操作，均为O(1)；
而空间复杂度上，顺序栈只存储了数据和表头标记；而链式栈对每个数据都建立了一个节点，存储数据之外还存储了指向下一个节点的指针，空间较顺序栈多了一倍。

所以顺序栈优点，空间占用小，存取定位还是比较方便的，在使用小空间的；而链式栈可以

以下是栈的抽象数据类型的定义：

ADT Stack{
    数据对象:D={ai|ai \in ElemSet,i = 1,2,...,n, n >= 0}
    数据关系:R1={<a(i-1),ai>|a(i-1),ai \in D, i = 2,..,n}
        约定an端为栈顶，ai端为栈底.
    基本操作:
        InitStack(&S)
        操作结果:构造一个空栈S

        Destroy(&S)
        初始条件:栈S已存在。
        操作结果:栈S被销毁。

        ClearStack(&S)
        初始条件:栈S已存在。
        操作结果:将S清为空栈。

        StackEmpty(S)
        初始条件:栈S已存在。
        操作结果:若栈S为空栈，则返回TRUE，否则FALSE。

        StackLength(S)
        初始条件:栈S已存在。
        操作结果:返回S的元素个数，即栈的长度。

        GetTop(S,&e)
        初始条件:栈S已存在且非空。
        操作结果:用e返回S的栈顶元素。

        Push(&S,e)
        初始条件:栈S已存在。
        操作结果:插入元素e为新的栈顶指针。

        Pop(&S,&e)
        初始条件:栈S已存在且非空。
        操作结果:删除S的栈顶元素，并用e返回其值。

        StackTraverse(S,visit())
        初始条件:栈S已存在且非空。
        操作结果:从栈底到栈顶依次对S的每个数据元素调用函数visit()。一旦visit()失败，则操作失效。
}ADT Stack

二、顺序栈

定义：

typedef struct{
    SElemType *base;
    SElemType *top;
    int stacksize;
}SqStack;

接下来是顺序栈的模块说明

#define STACK_INIT_SIZE 100 //存储空间初始分配量
#define STACKINCREMENT 10   //存储空间分配增量
#define ERROR 0
#define OK 1
#define OVERFLOW -1

typedef struct{
    SElemType *base;    //在栈构造之前和压栈之后，base的值为NULL
    SElemType *top;     //栈顶指针，指向栈顶的下一个位置
    int stacksize;      //当前已分配的存储空间，以元素为单位
}SqStack;
//------基本操作的函数原型说明------
Status InitStack(SqStack &S);
//构造一个空栈S

Status DestroyStack(SqStack &S);
//销毁栈S，S不再存在

Status ClearStack(SqStack &S);
//把S置为空栈

Status StackEmpty(SqStack S);
//若栈S为空栈，则返回TRUE,否则返回FALSE

int StackLength(SqStack S);
//返回S的元素个数，即栈的长度

Status GetTop(SqStack S,SElemType &e);
//若栈不空，则用e返回S的栈顶元素，并返回OK；否则返回ERROR

Status Push(SqStack &S,SElemType e);
//插入元素e为新的栈顶元素

Status Pop(SqStack &S,SElemType &e);
//若栈不空，则删除S的栈顶元素，用e返回其值，并返回OK；否则返回ERROR

Status StackTraverse(SqStack S,Stack (*visit()));
//从栈底到栈顶一次对栈中每个元素调用函数visit().一旦visit()失败，则操作失败

/***************基本操作的算法描述**********/
Status InitStack(SqStack &S){
    //构造一个空栈
    S.base = (SElemType *)malloc(STACK_INIT_SIZE * sizeof(SElemType));
    if(!S.base) exit(OVERFLOW);
    S.top = S.base;
    S.stacksize = STACK_INIT_SIZE;
    return OK;
}//InitStack

Status GetTop(SqStack S, SElemType &e){
//若站不空，则用e返回S的栈顶元素，并返回OK；否则返回ERROR
    if(S.top == S.base) return ERROR;
    e = *(S.top-1);
    return OK;
}//GetTop

Status Push(SqStack &S,SElemType e){
//插入元素e为新的栈顶元素
    if(S.top-S.base >= S.stacksize){
        //栈满，追加存储空间
        S.base=(SElemType *)realloc(S.base,(S.stacksize+STACKINCREMENT)*sizeof(SElemType));
        if(!S.base) exit(OVERFLOW);//存储分配失败
        S.top=S.base+S.stacksize;
        S.stacksize+=STACKINCREMENT;
    }
    *S.top++ = e;
    return OK;
}//push_back

Status Pop(SqStack &S,SElemType &e){
//若栈不空，则删除S的栈顶元素，用e返回其值，并返回OK，否则返回ERROR
    if(S.top == S.base) return ERROR;
    e = * --S.top;
    return OK;
}//pop

顺序栈是为栈预先分配一个大小固定且较合适的空间，最常见的做法是Stack结构中含一个数组。

struct stack{
	int data[10];
	int top;
}; 

以下是数组实现的各函数代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define STACK_POP_ERR 42
#define stack struct Stack;

struct Stack{
	int val[10]; 
  	int top; //栈顶
};

/* 检查栈是否为空 */
int empty(stack *stk) {
	return stk->top == 0; 
}

/* 推入资料 */
void push(stack *stk, int x){
	stk->top=stk->top+1;
	stk->val[stk->top]=x;
}

/* 弹出并返回资料 */
int pop(stack *stk) {
	if(empty(stk)) 
		return STACK_POP_ERR; // 不能弹出
	else{
		stk->top=stk->top-1;
		return stk->val[stk->top+1];//这里使用了复用技术
  	}
}

int main(){
	// 宣告并初始化空间
	stack stk;
	stk.top=0;
	// 推入四个
	push(&stk, 3);
	push(&stk, 4);
	push(&stk, 1);
	push(&stk, 9);
	// 弹出三个
	printf("%d ", pop(&stk));
	printf("%d ", pop(&stk));
	printf("%d ", pop(&stk));
	return 0;
}

三、链式栈
链式栈是定义一个结构体，去掉表头（表头是指一个空节点只带有一个指向存储栈顶数据的空间的指针，即首节点就开始存储数据）

链式栈这里我用二进制转八进制的程序来说明

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define ERROR 0
#define OK 1

typedef struct node{
	int data;
	struct node* nextPtr;
}Stack,*LinkStack;

int StackDel(LinkStack &s){
	if (NULL == s)	return ERROR;//判断栈是否出现了意外的空的状态
	LinkStack temp = s;//定义一个存储即将被释放的空间的指针
	s = s->nextPtr;//
	free(temp);
	return OK;
}

int pop(LinkStack &s){
	int e;
	if (NULL == s)
		return ERROR;
	e = s->data;//存储从栈中取出的值
	StackDel(s);//删除已取出的栈的空间
	return e;
}

int push(LinkStack &s, int e){
	LinkStack p = (LinkStack)calloc(1, sizeof(Stack));//动态分配空间并初始化
	if (!p){
		printf("Error calloc_push");
		return ERROR;
	}
	p->data = e;
	p->nextPtr = s;//将新数据链接到链表头部
	s = p;
	return OK;
}


void transform(LinkStack &s){
	int e, temp = 0, pow = 1;
	while (NULL != s){//直到栈空
		e = pop(s);
		temp += e*pow;//进行二进制转十进制的计算
		pow *= 2;//进行位权的累乘
	}
	printf("The octonary answer is:(");
    printf("%o", temp);//输出八进制结果
	printf(")8\n");
}

void input(LinkStack &s){
	char ch;
	printf("Please input the binary string:");
	while (scanf("%c", &ch) && ch != '#'){
		push(s, ch - '0');//将字符型二进制数以整型输入
	}
	return;
}

int main(){
    //freopen("input.txt","r",stdin);
    //freopen("output.txt","w",stdout);
	LinkStack s = NULL;//栈的头结点指针
	input(s);
	transform(s);
	return 0;
}

四、栈的应用
1.表达式求值
2.由递归到非递归
3.深度优先搜索(bfs)

参考资料：
[1].kelinlin.为什么要使用栈这种数据结构.
[2]Wikipedia Definition.
[3]《数据结构》，严蔚敏