一、栈
栈
栈是只能在某一端插入和删除的特殊线性表。
用桶堆积物品,先堆进来的压在底下,随后一件一件往上堆。取走时,只能从上面一件一件取。堆和取都在顶部进行,底部一般是不动的。
栈就是一种类似桶堆积物品的数据结构,进行删除和插入的一端称栈顶,另一堆称栈底。
插入一般称为进栈(PUSH),删除则称为退栈(POP)。 栈也称为后进先出表(LIFO表)。
一个栈可以用定长为N的数组S来表示,用一个栈指针TOP指向栈顶。
若TOP=0,表示栈空,TOP=N时栈满。进栈时TOP加1。退栈时TOP减1。
当TOP<0时为下溢。栈指针在运算中永远指向栈顶。
1、进栈(PUSH)算法
①若TOP≥n时,则给出溢出信息,作出错处理(进栈前首先检查栈是否已满,满则溢出;不满则作②)
②TOP++(栈指针加1,指向进栈地址);
③S[TOP]=X,结束(X为新进栈的元素);
2、退栈(POP)算法
①若TOP≤0,则给出下溢信息,作出错处理(退栈前先检查是否已为空栈, 空则下溢;不空则作②);
②X=S[TOP],(退栈后的元素赋给X);
③TOP--,结束(栈指针减1,指向栈顶)。
进栈、出栈的c++实现过程程序:
#define n 100
void push(int s[],int *top,int *x) //入栈
{
if (*top==n) printf("overflow");
else { (*top)++; s[*top]=*x; }
}
void pop(int s[],int *y,int *top) //出栈
{
if (*top==0) printf("underflow");
else { *y=s[*top]; (*top)--; }
}
对于出栈运算中的“下溢”,程序中仅给出了一个标志信息,而在实际应用中,下溢可用来作为控制程序转移的判断标志,是十分有用的。
对于入栈运算中的“上溢”,则是一种致命的错误,将使程序无法继续运行,所以要设法避免。
堆栈的数组模拟
十进制数N和其它d进制数的转换是实现计算的基本问题,解决方法很多,下面给出一种算法原理:
N=(N / d)×d+N % d
(其中 / 为整除运算,%为求余运算)。
例如:(1348)10=(2504)8运算过程如下:
例题:
【例1】括号的匹配(表达式的合法性检查)
【问题描述】
假设一个表达式有英文字母(小写)、运算符(+,—,*,/)和左右小(圆)括号构成,以“@”作为表达式的结束符。请编写一个程序检查表达式中的左右圆括号是否匹配,若匹配,则返回“YES”;否则返回“NO”。假设表达式长度小于255,左圆括号少于20个。
【算法分析】
假设输入的字符串存储在c中(char c[256]
)。
我们可以定义一个栈:char s[maxn+1]; int top;
用它来存放表达式中从左往右的左圆括号(maxn=20)。
算法的思路为:
顺序(从左往右)扫描表达式的每个字符c[i],若是“(”,则让它进栈;若遇到的是“)”,则让栈顶元素出栈;当栈发生下溢或当表达式处理完毕而栈非空时,都表示不匹配,返回“NO”;否则表示匹配,返回“YES”。
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
using namespace std;
#define maxn 20
char c[256];
bool judge(char c[256])
{
int top=0,i=0;
while (c[i]!='@')
{
if (c[i]=='(') top++;
if (c[i]==')')
{
if (top>0) top--;
else return 0;
}
i++;
}
if (top!=0) return 0; //检测栈是否为空。不空则说明有未匹配的括号
else return 1;
}
main()
{
scanf("%s",c);
if (judge(c))printf("YES");
else printf("NO");
system("pause");
return 0;
}
【例2】编程求一个后缀表达式的值
【问题描述】
从键盘读入一个后缀表达式(字符串),只含有0-9组成的运算数及加(+)、减(—)、乘(*
)、除(/)四种运算符。每个运算数之间用一个空格隔开,不需要判断给你的表达式是否合法。以@作为结束标志
【算法分析】
后缀表达式的处理过程很简单,过程如下:扫描后缀表达式,凡遇操作数则将之压进堆栈,遇运算符则从堆栈中弹出两个操作数进行该运算,将运算结果压栈,然后继续扫描,直到后缀表达式被扫描完毕为止,此时栈底元素即为该后缀表达式的值。
比如,16–9(4+3)转换成后缀表达式为:16□9□4□3□+–,在字符数组A中的形式为:
栈中的变化情况:
运行结果:-47
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include<string>
#include<cstring>
using namespace std;
int stack[101];
char s[256];
int comp(char s[256])
{
int i=0,top=0,x,y;
while (i<=strlen(s)-2)
{
switch (s[i])
{
case '+':stack[--top]+=stack[top+1]; break;
case '-':stack[--top]-=stack[top+1]; break;
case '*':stack[--top]*=stack[top+1]; break;
case '/':stack[--top]/=stack[top+1]; break;
default:x=0; while (s[i]!=' ') x=x*10+s[i++]-'0'; stack[++top]=x; break;
}
i++;
} //while
return stack[top];
}
main()
{
printf("input a string(@_over):");
gets(s);
printf("result=%d",comp(s));
system("pause");
return 0;
}
栈的用途极为广泛,在源程序编译中表达式的计算、过程的嵌套调用和递归调用等都要用到栈,下面以表达式计算为例子加以说明。
源程序编译中,若要把一个含有表达式的赋值语句翻译成正确求值的机器语言,首先应正确地解释表达式。例如,对赋值语句X=4+8×2-3; (式 11.1)
其正确的计算结果应该是17,但若在编译程序中简单地按自左向右扫描的原则进行计算,则为:X=12×2-3=24-3=21.这结果显然是错误的。
因此,为了使编译程序能够正确地求值,必须事先规定求值的顺序和规则。通常采用运算符优先数法
一般表达式中会遇到操作数、运算符和语句结束符等,以算术运算符为例,对每种运算赋予一个优先数,如:
运算符:× ÷ + -
优先数:2 2 1 1(语句结束符“;”的优先数为零)
在运算过程中,优先数高的运算符应先进行运算(但遇到括号时,应另作处理)。按这样的规定,对式(11.1)自左向右进行运算时,其计算顺序就被唯一地确定下来了。计算顺序确定后,在对表达式进行编译时,一般设立两个栈,一个称为运算符栈(OPS),另一个称为操作数栈(OVS),以便分别存放表达式中的运算符和操作数。编译程序自左向右扫描表达式直至语句结束,其处理原则是:
①凡遇到操作数,一律进入操作数栈;
②当遇到运算符时,则将运算符的优先数与运算符栈中的栈顶元素的优先
数相比较;若该运算符的优先数大,则进栈;反之,则取出栈顶的运算符,并在操作数栈中连续取出两个栈顶元素作为运算对象进行运算,并将运算结果存入操作数栈,然后继续比较该运算符与栈顶元素的优先数。
例如式(11.1)中,当扫描到“+”和“×”时都要将运算符入栈。接着扫描到“-”号, 其优先数小于乘号所以乘号退栈,并执行8×2,将结果16再存入操作数栈。
再将“-”号的优先数与运算符栈的栈顶元素“+”号的优先数相比较,两者相等,所以再将加号退栈,进行4+16,结果为20,再入栈,接着,由于运算栈已空,所以减号入栈。
当扫描到“3”时,操作数入栈。当扫描到“;”时,其优先数最低, 所以减号退栈并执行20-3,结果为17并入栈。因已扫描到语句结束符,所以表达式的求值结束,结果为17。
【例3】模拟计算机处理算术表达式过程。从键盘上输入算术表达式串(只含+、-、×、÷运算符,允许含括号),输出算术表达式的值。设输入的表达式串是合法的。
【算法分析】
建立两个栈,一个是操作数栈(number),一个是运算符栈(symbol),根据运算符的优先级对两个栈进行相应的操作。
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
#include<string>
#include<cstring>
using namespace std;
int number[101],i=0, p=1;
char symbol[101],s[256], t[256];
void push() //算符入栈运算
{
symbol[++p]=s[i];
}
void pop() //运算符栈顶元素出栈,并取出操作数栈元素完成相应的运算
{
switch (symbol[p--])
{
case '+':number[p]+=number[p + 1];break;
case '-':number[p]-=number[p + 1];break;
case '*':number[p]*=number[p + 1];break;
case '/':number[p]/=number[p + 1];break;
}
}
bool can() //判断运算符的优先级别,建立标志函数
{
if ((s[i]=='+'||s[i]=='-')&&symbol[p]!='(') return 1;
if ((s[i]=='*'||s[i]=='/')&&(symbol[p]=='*'||symbol[p]=='/'))return 1;
return 0;
}
main()
{
printf("String :");gets(s);
s[strlen(s)]=')';symbol[p]='(';
while (i<strlen(s))
{
while (s[i]=='(') //左括号处理
{
push();i++;
}
int x=0;
while (s[i]>='0'&&s[i]<='9') //取数入操作数栈
x=x*10+s[i++]-'0';
number[p]=x;
do
{
if (s[i]==')') //右括号处理
{
while (symbol[p]!='(') pop();
number[--p]=number[p + 1];
}
else
{ //根据标志函数值作运算符入栈或出栈运算处理
while (can()) pop();
push();
}
i++;
}while (i<strlen(s)&&s[i-1]==')');
}
printf("Result=%d", number[0]);
system("pause");
return 0;
}