C语言实现栈的示例详解
作者:。菀枯。
前言
前一段时间,我们试着用C语言实现了数据结构中的顺序表,单链表,双向循环链表。今天我们再用C语言来实现另一种特殊的线性结构:栈
一. 什么是栈
栈(stack)又名堆栈,它是一种运算受限的线性表。限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。这一端被称为栈顶,相对地,把另一端称为栈底。向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈,它是把新元素放到栈顶元素的上面,使之成为新的栈顶元素;从一个栈删除元素又称作出栈或退栈,它是把栈顶元素删除掉,使其相邻的元素成为新的栈顶元素。
类似于步枪的子弹夹,后进去的子弹先发射出来以后,前面的子弹才可以发射。
二. 使用什么来实现栈
前一段时间,我们学习了两种线性表,一种是顺序表,一种是链表,那么对于栈我们该用哪一个来实现比较好呢
首先我们来对比一下线性表和链表
不同点 | 顺序表 | 链表 |
---|---|---|
存储空间上 | 物理上一定连续 | 逻辑上连续,但物理上不一定连续 |
随机访问 | 可以直接访问任何元素 | 必须从头节点开始往后寻找 |
任意位置插入或删除元素 | 要搬移其他的元素,效率低。 | 只需要修改节点的指针指向,效率高 |
插入 | 动态顺序表,当空间不够时需要扩容 | 无容量概念,需要就申请,不用就释放 |
应用场景 | 元素高效存储,并且需要频繁访问 | 需要在任意位置插入或者删除频繁 |
综合以上来看,我认为实现一个栈,使用顺序表比较好。
1.栈是先进后出,使用顺序表,在元素出栈后更容易找到新的栈顶。
2.顺序表CPU高速缓存命中率高,可以减少CPU去内存拿数据的次数,速度快,效率高。
三. 栈的实现
3.1 头文件
1.包含的标准库
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <stdbool.h> //C语言中的bool类型需要这个头文件 #include <assert.h>
2.定义结构体
typedef int STDateType;//栈中元素的数据类型 typedef struct Stack { STDateType* a; //顺序表 int top; //栈顶 int capacity; //栈的容量 }Stack;
3.函数的声明
void StackInti(Stack* ps); // 栈的初始化 void StackDestory(Stack* ps); // 栈的销毁 void StackPush(Stack* ps, STDateType x); // 入栈 void StackPop(Stack* ps); // 出栈 bool StackEmpty(Stack* ps); // 判断栈是否为空 STDateType StackTop(Stack* ps); // 取栈顶元素
3.2 函数实现
1. 栈的初始化
我们用assert(断言),防止ps为空指针。
void StackInti(Stack* ps) { assert(ps); ps->a = NULL; ps->capacity = 0; ps->top = 0; }
2. 栈的销毁
释放顺序表。
void StackDestory(Stack* ps) { assert(ps); free(ps->a); ps->capacity = 0; ps->top = 0; }
3.入栈
void StackPush(Stack* ps, STDateType x) { assert(ps); if (ps->top == ps->capacity) //判断容量是否足够 { int newCapcity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2; ps->a = (int*)realloc(ps->a, sizeof(int) * newCapcity); if (ps->a == NULL) { printf("ralloc error"); exit(-1); } ps->capacity = newCapcity; } ps->a[ps->top] = x; ps->top++; }
4. 出栈
void StackPop(Stack* ps) { assert(ps); assert(ps->top > 0); //空栈不能被删除 ps->top--; }
5. 判断栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps) { assert(ps); return ps->top == 0; // 如果为空则返回true,否则返回false }
6. 取栈顶元素
STDateType StackTop(Stack* ps) { assert(ps); assert(ps->top > 0);//空栈不能被删除 return ps->a[ps->top - 1]; }
这样我们就实现了一个简单的栈
3.3 完整代码
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <stdbool.h> #include <assert.h> typedef int STDateType; typedef struct Stack { STDateType* a; int top; int capacity; }Stack; void StackInti(Stack* ps) { assert(ps); ps->a = NULL; ps->capacity = 0; ps->top = 0; } void StackDestory(Stack* ps) { assert(ps); free(ps->a); ps->capacity = 0; ps->top = 0; } void StackPush(Stack* ps, STDateType x) { assert(ps); if (ps->top == ps->capacity) { int newCapcity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2; ps->a = (int*)realloc(ps->a, sizeof(int) * newCapcity); if (ps->a == NULL) { printf("ralloc error"); exit(-1); } ps->capacity = newCapcity; } ps->a[ps->top] = x; ps->top++; } void StackPop(Stack* ps) { assert(ps); assert(ps->top > 0); ps->top--; } bool StackEmpty(Stack* ps) { assert(ps); return ps->top == 0; } STDateType StackTop(Stack* ps) { assert(ps); assert(ps->top > 0); return ps->a[ps->top - 1]; }
四. 栈的用处
我们好不容易实现了一个栈,接下来我们来做个题看看栈有什么用吧。
题目描述
给定一个只包括 ‘(’,’)’,’{’,’}’,’[’,’]’ 的字符串 s ,判断字符串是否有效。
有效字符串需满足:
左括号必须用相同类型的右括号闭合。
左括号必须以正确的顺序闭合。
基础框架
C语言的基础框架如下
bool isValid(char * s){ }
解题思路
左括号一定要和右括号对齐,非常满足栈的特性
我们可以将所有的左括号存入一个栈中。
然后遇到右括号,就出栈,判断是否匹配。
直到栈为空且字符串中的括号也遍历完了,那么所有括号就正确的匹配了。
代码详解
// 1.因为C语言并没有现成的栈,所以我们需要自己造轮子,先写个栈再说 typedef char STDateType; // 更改数据类型为char typedef struct Stack { STDateType* a; int top; int capacity; }Stack; void StackInti(Stack* ps) { assert(ps); ps->a = NULL; ps->capacity = 0; ps->top = 0; } void StackDestory(Stack* ps) { assert(ps); free(ps->a); ps->capacity = 0; ps->top = 0; } void StackPush(Stack* ps, STDateType x) { assert(ps); if (ps->top == ps->capacity) { int newCapcity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2; ps->a = (int*)realloc(ps->a, sizeof(int) * newCapcity); if (ps->a == NULL) { printf("ralloc error"); exit(-1); } ps->capacity = newCapcity; } ps->a[ps->top] = x; ps->top++; } void StackPop(Stack* ps) { assert(ps); assert(ps->top > 0); ps->top--; } bool StackEmpty(Stack* ps) { assert(ps); return ps->top == 0; } STDateType StackTop(Stack* ps) { assert(ps); assert(ps->top > 0); return ps->a[ps->top - 1]; } bool isValid(char * s){ Stack a; StackInti(&a); while(*s) { if (*s == '(' || *s == '[' || *s == '{') //入栈 { StackPush(&a, *s); } else //出栈 { if(StackEmpty(&a)) //右括号多一个的情况 { return false; } char tmp = StackTop(&a); StackPop(&a); if ((*s == ')' && tmp != '(') ||(*s == ']' && tmp != '[') ||(*s == '}' && tmp != '{') ) { return false; } } s++; } return StackEmpty(&a); //防止出现多一个左括号的情况 }
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