【数据结构】C语言实现栈(详细解读)（上）

什么是栈

       栈的概念及结构

栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。 进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。

压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在 栈顶。

出栈：栈的删除操作叫做出栈。 出数据也在栈顶。

栈的结构:

实现栈的方式

实现栈的方式有两种: 顺序表和链表

链表的优缺点:

优点:       1、任意位置插入删除O(1)

       2、按需申请释放空间

缺点:

       1、不支持下标随机访问

       2、CPU高速缓存命中率会更低

   先说链表实现栈的缺点:

1. 额外内存开销：链表实现的栈需要为每个节点分配内存空间来存储数据和指针。相比于数组实现的栈，链表实现需要额外的内存开销来维护节点之间的指针关系，可能导致内存碎片化。
   
2. 动态内存分配：链表实现的栈需要通过动态内存分配来创建和释放节点。这涉及到频繁的内存分配和释放操作，可能导致内存管理的复杂性和性能开销。在某些情况下，可能会出现内存分配失败或内存泄漏的问题。
   
3. 指针操作开销：链表实现的栈需要通过指针进行节点之间的连接操作。这包括插入和删除节点时的指针修改，可能涉及到多个指针的更新。相比于数组实现的栈，链表实现的栈需要更多的指针操作，可能会带来一定的性能开销。
   
4. 随机访问的限制：链表是一种顺序访问的数据结构，无法像数组一样通过索引进行随机访问。如果需要在栈中进行随机访问元素，链表实现的栈可能不太适合，而数组实现的栈更具优势。
   

顺序表的优缺点:

优点:1、尾插尾删效率不错。

     2、下标的随机访问。

       3、CPU高速缓存命中率会更高

缺点:

       1、前面部分插入删除数据，效率是O(N)，需要挪动数据。

       2、空间不够，需要扩容。a、扩容是需要付出代价的b、一般还会伴随空间浪费。

顺序表实现栈的优点

1. 内存连续性：顺序表在内存中是连续存储的，相比于链表的动态内存分配，顺序表的元素在物理上更加紧凑。这样可以减少内存碎片化，提高内存的利用效率。
2. 随机访问：顺序表可以通过索引直接访问栈中的元素，具有随机访问的能力。这意味着可以快速访问栈中任意位置的元素，而不需要遍历整个链表。
3. 操作简单高效：顺序表的插入和删除操作只涉及元素的移动，不需要额外的指针操作和动态内存分配。这使得操作相对简单高效，并且在某些情况下比链表实现更快。
   
4. 空间效率：相比于链表实现，顺序表不需要额外的指针来维护节点之间的连接关系，因此可以节省一定的空间开销。只需要存储元素本身和栈顶指针即可。
   

综上所述,用顺序表实现栈更好。

栈的实现

a.头文件的包含

#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdio.h>

b.栈的定义

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
  STDataType* a;
  int top;//栈顶
  int capacity;//栈的容量
}ST;

c.接口函数    

// 初始化栈
void STInit(ST* pst); 
// 入栈
void STPush(ST* pst, STDataType data); 
// 出栈
void STPop(ST* pst); 
// 获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* pst); 
// 获取栈中有效元素个数
int STSize(ST* pst); 
// 检测栈是否为空，如果为空返回true,如果不为空返回false
bool STEmpty(ST* pst); 
// 销毁栈
void STDestroy(ST* pst);

接口函数的实现

1.栈的初始化

       pst->top表示栈的顶部指针，通常情况下，它指向栈顶元素的下一个位置,而不是指向当前栈顶元素。通过 pst->top 可以确定栈中元素的个数,打印的时候记得将 top - 1。

void STInit(ST* pst)
{
  assert(pst);//防止敲代码的人传过来是NULL指针
    pst->a = NULL;//栈底
    //top不是数组下标,不能理解成数组下标,因为栈只能拿到栈顶的元素，而数组可以随机访问拿到中间元素
    //pst->top=-1;//指向栈顶元素
    pst->top = 0;//指向栈顶元素的下一个位置
  pst->capacity = 0;
}

分别解释一下各自的含义:

1. pst 是指向栈的指针，指向栈的首节点或头节点。
2. -> 是一个成员访问运算符，用于通过指针访问结构体或类的成员

• pst ->a 是指向存储栈元素的数组的指针。栈中的元素通常被存储在数组中，通过 pst->a 可以访问和操作该数组。在 STInit 函数中， pst->a 被设置为 NULL，表示栈底为空，即栈中没有任何元素。
• pst->capacity 表示栈的容量，即栈可以容纳的最大元素数量。当栈中元素的数量达到 pst->capacity 时，栈被认为已满，无法再进行入栈操作。在初始化时，pst->capacity 的值通常被设置为 0，表示栈的初始容量为 0。
• pst->top 表示栈顶指针，它指向当前栈顶元素的下一个位置。在栈为空时，pst->top 的值为 0，表示栈底。随着元素的入栈和出栈操作，pst->top 的值会相应地增加或减少，指向栈中下一个元素的位置。

2.销毁栈

为了防止野指针的出现，栈销毁后记得将指针置空。

void STDestroy(ST* pst)
{
  assert(pst);
  free(pst->a);
  pst->a = NULL;
}

3.入栈

三元运算符

condition ? value1: value2

它的含义是，如果条件condition为真（非0），则整个表达式的值为value1；如果条件为假（0），则整个表达式的值为value2

解析:

int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;

这段代码的执行顺序如下：

1. 首先，评估条件pst->capacity == 0 这将检查  pst 指针所指向的结构体中的 capacity 成员是否等于 0
2. 如果条件为真（pst->capacity 等于 0），则表达式的值为 4，将其赋给 newCapacity  

 3、如果条件为假（pst->capacity不等于 0），则表达式的值为pst->capacity * 2，将其赋给 newCapacity

realloc函数:【C进阶】-- 动态内存管理_Dream_Chaser～的博客-CSDN博客

动图:

函数代码:

void STPush(ST* pst,STDataType x)
{
  if (pst->top == pst->capacity)
  {
    int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
    STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newCapacity * sizeof(STDataType));
    if (tmp == NULL)
    {
      perror("realloc fail");
      return;
    }
    pst->a = tmp;//返回的是realloc出来的内存块的地址
    pst->capacity = newCapacity;//把扩容后的空间大小赋值给栈容量
  }
  pst->a[pst->top] = x;//先放值
  pst->top++;//再++
}

【注意事项】

1️⃣检查栈的顶部指针 top 是否等于栈的容量 capacity 。如果这两个值相等，那么说明栈已经满了，无法再添加新的元素。

2️⃣接着判断此时栈的容量是否是0，若是0，则把4赋值给newcapacity作为新的栈容量。此后若栈满了，则把此时栈满时的容量 * 2进行扩容，赋值给newcapacity作为新的栈容量。

3️⃣先放入新的元素入栈，接着pst->top指向栈顶元素的指针++