顺序栈和链栈

<!--author--Kang-->

<!--time--2020/8/30-->

一、栈

栈的定义与特点：

栈（stack）是限定仅在表尾进行插入或删除操作的线性表。因此，对于栈来说，可以进行插入或删除的表尾端称为栈顶（top），另一端的表头称为 栈底（bottom）。

空栈：若栈中无元素，则称为 空栈。

进栈（PUSH）：元素插入到栈中的操作，也叫入栈，压栈。

出栈（POP）：删除栈顶元素的操作，也称为退栈、弹栈。

栈的操作符合 后进先出* 原则，因此栈又称为 后进先出的线性表（Last In First Out , LIFO）。

栈的抽象数据类型定义：

ADT 栈{

数据对象：D={ai | ai∈ElemSet, i=1,2,…n,n≥0}

数据关系：S={<ai-1,ai> | ai-1,ai∈D,i=2,…,n}

约定a1为栈底，an为栈顶

基本操作：

init_stack(*stack)

操作结果：初始化栈，构造一个空的栈

get_length(stack)

初始条件：栈stack已存在

操作结果：返回栈的长度，即stack中元素个数

is_empty(stack)

初始条件：栈stack已存在

操作结果：若stack为空栈则返回1，否则返回0

get_top(stack, *e)

初始条件：栈stack已存在且不为空

操作结果：用e返回栈顶元素值，不出栈

push(*stack, e)

初始条件：栈已存在

操作结果：插入元素e为新的栈顶元素

pop(*stack, *e)

初始条件：栈已存在，且不为空

操作结果：删除栈顶元素，并用e返回其值

}ADT 栈

栈为线性表，有两种存储方式，分别为：顺序栈和链栈

二、顺序栈的代码实现

顺序栈的定义及初始化

须知：1、栈遵循后进先出原则，因此栈顶变化较多，我们需要定义一个栈顶标记来始终指向栈顶元素

2、初始化时让 top初始化为 -1 ，标记为空栈。当压栈时，top会随着数组下标开始从0变化。即 ：进入一个元素，top++一次

3、获取栈的长度操作，实际为获取栈中有效元素个数，即top所指元素的数组下标 + 1

#include <stdio.h>
//顺序栈
​
#define MAX_SIZE 100//顺序栈的容量
typedef int SElemType;//栈中元素的类型，以int为例
​
//顺序栈定义
typedef struct seq_stack {
​
    SElemType data[MAX_SIZE];//使用数组存储顺序栈的元素
    int top;//栈顶标记，对用数组下标;
​
}SEQ_STACK;
​
//初始化
int init_stack(SEQ_STACK *S) {
​
    S->top = -1;//栈顶标记初始化为 -1 ，此时对应为空栈
    return 1;
}
​
//获取栈的长度（栈中有效元素个数）
int get_length(SEQ_STACK S) {
​
    return S.top + 1;
}
​
//判断是否为空栈
int is_empty(SEQ_STACK S) {
    return S.top == -1;
}
​

入栈与出栈操作：

注意：

1.若进行入栈操作时，先判断栈是否满，若栈满则不可继续入栈。

2.若进行出栈操作时，先判断栈是否为空，若栈空则不可继续出栈操作。

3.取栈顶元素类似于出栈操作，只不过不删除栈顶元素（即栈顶标记无需自减）

实现代码如下：

//入栈和出栈
/*
    一、入栈：判断栈是否栈满
    二、出栈：判断是否空栈
    三、取栈顶：类似出栈，但不是删除栈顶元素
*/
int push(SEQ_STACK *S,SElemType e) {
    if (S->top == MAX_SIZE - 1)
    {
        return 0;//操作失败
    }
    S->top++;//栈顶标记 +1 ，指向新的栈顶   这里注意，压栈操作先 栈顶指针 S->top++ 再进元素
    S->data[S->top] = e;
    return 1;
}
​
int get_pop(SEQ_STACK *S, SElemType *e) { //获得栈顶元素
    if (S->top == -1)
    {
        return 0;//空栈，操作失败
    }
    *e = S->data[S->top];//将栈顶元素赋值给指针e指向的变量，
​
    return 1;
}
​
int pop(SEQ_STACK *S,SElemType *e) {
    if (S->top == -1)
    {
        return 0;//空栈，操作失败
    }
    *e = S->data[S->top];//将栈顶元素赋值给指针e指向的变量，
    S->top--;//栈顶标记 -1  ；这里注意，出栈操作先 取出元素，再栈顶指针 S->top-- 操作
    return 1;
}
​

三、顺序栈源码：

#include <stdio.h>
//顺序栈
#define MAX_SIZE 100//顺序栈的容量
typedef int SElemType;//栈中元素的类型，以int为例
​
//顺序栈定义
typedef struct seq_stack {
​
    SElemType data[MAX_SIZE];//使用数组存储顺序栈的元素
    int top;//栈顶标记，对用数组下标;
​
}SEQ_STACK;
​
//初始化
int init_stack(SEQ_STACK *S) {
​
    S->top = -1;//栈顶标记初始化为 -1 ，此时对应为空栈
    return 1;
}
​
//获取栈的长度
int get_length(SEQ_STACK S) {
​
    return S.top + 1;
}
​
//判断是否为空栈
int is_empty(SEQ_STACK S) {
    return S.top == -1;
}
​
//入栈和出栈
/*
    一、入栈：判断栈是否栈满
    二、出栈：判断是否空栈
    三、取栈顶：类似出栈，但不是删除栈顶元素
*/
int push(SEQ_STACK *S,SElemType e) {
    if (S->top == MAX_SIZE - 1)
    {
        return 0;//操作失败
    }
    S->top++;//栈顶标记 +1 ，指向新的栈顶   这里注意，压栈操作先 栈顶指针 S->top++ 再进元素
    S->data[S->top] = e;
    return 1;
}
​
int get_pop(SEQ_STACK *S, SElemType *e) { //获得栈顶元素
    if (S->top == -1)
    {
        return 0;//空栈，操作失败
    }
    *e = S->data[S->top];//将栈顶元素赋值给指针e指向的变量，
​
    return 1;
}
​
int pop(SEQ_STACK *S,SElemType *e) {
    if (S->top == -1)
    {
        return 0;//空栈，操作失败
    }
    *e = S->data[S->top];//将栈顶元素赋值给指针e指向的变量，
    S->top--;//栈顶标记 -1  ；这里注意，出栈操作先 取出元素，再栈顶指针 S->top-- 操作
    return 1;
}
​
int main() {
    SEQ_STACK stack;
    init_stack(&stack);
    //入栈
    push(&stack,1);
    push(&stack, 3);
    push(&stack, 5);
​
    SElemType e;
    while (stack.top != -1)
    {
        int rlt1 = pop(&stack, &e);
        if (rlt1 == 1)
        {
            printf("出栈：%d
", e);
        }
        else {
            printf("出栈失败！");
        }
    }
    //出栈顺序 5、3、1 先入后出
​
    return 0;
}
​

调试结果：

 

四、链栈的代码实现

链栈的定义：

链栈通常用单链表表示，其结点的结构与单链表的结构基本相同。区别在与：单链表中为了结点操作方便而设置了一个“头结点”，而链栈中不需要设置头结点。

P.S：头结点的作用：

1、防止单链表是空的而设的.当链表为空的时候,带头结点的头指针就指向头结点.如果当链表为空的时候,头结点的指针域的数值为NULL.

2、是为了方便单链表的特殊操作,插入在表头或者删除第一个结点.这样就保持了单链表操作的统一性!

3、单链表加上头结点之后，无论单链表是否为空，头指针始终指向头结点，因此空表和非空表的处理也统一了，方便了单链表的操作，也减少了程序的复杂性和出现bug的机会 [1] 。

4、对单链表的多数操作应明确对哪个结点以及该结点的前驱。不带头结点的链表对首元结点、中间结点分别处理等；而带头结点的链表因为有头结点，首元结点、中间结点的操作相同,从而减少分支，使算法变得简单，流程清晰。对单链表进行插入、删除操作时，如果在首元结点之前插入或删除的是首元结点，不带头结点的单链表需改变头指针的值，在TurboC算法的函数形参表中头指针一般使用指针的指针(在C++中使用引用&)；而带头结点的单链表不需改变头指针的值，函数参数表中头结点使用指针变量即可，对初学者更易接受。

我们知道，栈的特点是后进先出，而无论是入栈、出栈还是其他操作都只是在操作栈顶元素，用头指针指向栈顶即能直接操作栈顶元素，因此不需要头结点；不需用头结点；不需用头结点；

//链栈
/*
头指针直接指向首元结点
*/
typedef int SElemType;//定义栈元素的类型
typedef struct stack_node {
    SElemType data;//数据域
    struct stack_node *next;
c
}STACK_NODE,*LINK_STACK;//STACK_NODE定义新结点，*LINK_STACK定义链栈

链栈初始化：

保证链栈初始为空栈

int init_stack(LINK_STACK *S) {
    //单链表初始化需要给头结点分配空间，这里不需要头结点，直接置空
    *S = NULL;  
    return 1;
}

判断是否为空栈：

//判断是否为空
int is_empty(LINK_STACK S) {
    return S == NULL;
}

获取链栈的长度：

即链栈中有效结点个数

1、定义结点指针指向栈顶元素

2、判断该结点是否有效，即栈顶元素是否为空

3、循环遍历，统计长度，注意栈顶指针后移

//获取链栈长度：获取栈中有效结点个数
int get_length(LINK_STACK S) {
    int length = 0;
    STACK_NODE *tmp = S;
    while (tmp!=NULL)
    {
        length++;
        tmp = tmp->next;
    }
    return length;
}
​

入栈：

1、定义新结点，并给新结点分配空间

2、判断新结点是否为空

3、给新结点的数据域赋值

4、将栈顶针指地址赋值给新结点的下一地址

5、将新结点的地址给栈顶指针

int push(LINK_STACK *S,SElemType e) {
    STACK_NODE *p_top = (stack_node *)malloc(sizeof(STACK_NODE));//定义并给新结点分配空间
    if (p_top ==NULL)
    {
        return 0;
    }
    p_top->data = e;
    p_top->next = *S;//新结点指针域指向当前的链栈栈顶
    *S = p_top;//修改栈顶指针为新的结点
    return 1;
}

出栈：

与入栈操作类似

注意要将出栈的结点空间释放掉

1、判断栈顶指针是否为空

2、通过指针变量返回栈顶元素的数据域

3、定义指针p_top指向当前栈顶

4、修改栈顶元素，将栈顶指针指向下一结点next

5、释放原栈顶元素空间

//出栈
int pop(LINK_STACK *S,SElemType *e) {
    if (*S==NULL)//判断是否空栈
    {
        return 0;
    }
    *e = (*S)->data;//将栈顶元素赋值给指针e所指向的变量
    STACK_NODE *p_top = *S;
    *S = p_top->next;//将栈顶指针的下一结点地址赋值给栈顶指针*S  
    free(p_top);//空间释放
​
    return 1;
}

取栈顶：

类似出栈，但不需要删除栈顶元素

//取栈顶:取栈顶元素不会删除栈顶结点
int get_pop(LINK_STACK *S, SElemType *e) {
    if (*S == NULL)//判断是否空栈
    {
        return 0;
    }
    *e = (*S)->data;//将栈顶元素赋值给指针e所指向的变量
    return 1;
}

五、链栈源码：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
//链栈
/*
头指针直接指向首元结点
*/
typedef int SElemType;//定义栈元素的类型
typedef struct stack_node {
    SElemType data;//数据域
    struct stack_node *next;
​
}STACK_NODE,*LINK_STACK;
//链栈初始化：保证栈为空
int init_stack(LINK_STACK *S) {
    //单链表初始化需要给头结点分配空间，这里不需要头结点，直接置空
    *S = NULL;  
    return 1;
}
//判断是否为空
int is_empty(LINK_STACK S) {
    return S == NULL;
}
​
//获取链栈长度：获取栈中有效结点个数
int get_length(LINK_STACK S) {
    int length = 0;
    STACK_NODE *tmp = S;
    while (tmp!=NULL)
    {
        length++;
        tmp = tmp->next;
    }
    return length;
}
//入栈、出栈、取栈顶
int push(LINK_STACK *S,SElemType e) {
    STACK_NODE *p_top = (stack_node *)malloc(sizeof(STACK_NODE));//定义并给新结点分配空间
    if (p_top ==NULL)
    {
        return 0;
    }
    p_top->data = e;
    p_top->next = *S;//新结点指针域指向当前的链栈栈顶
    *S = p_top;//修改栈顶指针为新的结点
    return 1;
}
​
//出栈
int pop(LINK_STACK *S,SElemType *e) {
    if (*S==NULL)//判断是否空栈
    {
        return 0;
    }
    *e = (*S)->data;//将栈顶元素赋值给指针e所指向的变量
    STACK_NODE *p_top = *S;
    *S = p_top->next;//将栈顶指针的下一结点地址赋值给栈顶指针*S  
    free(p_top);//空间释放
​
    return 1;
}
//取栈顶:取栈顶元素不会删除栈顶结点
int get_pop(LINK_STACK *S, SElemType *e) {
    if (*S == NULL)//判断是否空栈
    {
        return 0;
    }
    *e = (*S)->data;//将栈顶元素赋值给指针e所指向的变量
    return 1;
}
​
​
​
int main() {
    LINK_STACK stack = NULL;//定义链栈并初始化为NULL，或者 STACK_NODE *stack;,stack指向栈顶元素，表示单链表的头指针
    //调用初始化函数（防止定义时忘记初始化）
    init_stack(&stack);
​
    //入栈
    push(&stack,1);
    push(&stack, 3);
    push(&stack, 5);
    push(&stack, 7);
​
    //出栈
    SElemType e;
    int rlt1 = pop(&stack,&e);
    printf("rlt = %d	,e = %d
",rlt1,e);
    rlt1 = pop(&stack, &e);
    printf("rlt = %d	,e = %d
", rlt1, e);
    rlt1 = pop(&stack, &e);
    printf("rlt = %d	,e = %d
", rlt1, e);
    rlt1 = pop(&stack, &e);
    printf("rlt = %d	,e = %d
", rlt1, e);
    rlt1 = pop(&stack, &e);
    printf("rlt = %d	,e = %d
", rlt1, e);
​
    return 0;
}

调试结果：