C语言实现栈的示例详解

2022-11-13 11:11:13 语言示例详解

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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