手把手教你使用C语言实现堆栈数据结构算法-两种方式（链表+数组）

堆栈

定义

栈(stack) 是一种遵循先入后出逻辑的线性数据结构，常见操作入栈，出栈，访问栈

图片来源：https://www.hello-algo.com/

栈的实现

栈遵循先入后出的原则，因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而，数组和链表都可以在任意位置添加和删除元素，因此栈可以视为一种受限制的数组或链表。换句话说，我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作，使其对外表现的逻辑符合栈的特性。

基于链表的实现

使用链表实现栈时，我们只需将链表的头节点视为栈顶，尾节点视为栈底

入栈操作，只需将元素插入链表头部(这种节点插入方式被称为“头插法”)，出栈操作，只需将头结点从链表中删除即可。

/* 基于链表实现的栈 */
typedef struct
{
    ListNode *top; // 将头节点作为栈顶
    int size;      // 栈的长度
} LinkedListStack;

/* 构造函数 */
LinkedListStack *newLinkedListStack()
{
    LinkedListStack *s = malloc(sizeof(LinkedListStack));
    s->top = NULL;
    s->size = 0;
    return s;
}

/* 析构函数 */ 
void delLinkedListStack(LinkedListStack *s)
{
    while (s->top)
    {
        ListNode *n = s->top->next;
        free(s->top);
        s->top = n;
    }
    free(s);
}

/* 获取栈的长度 */
int size(LinkedListStack *s)
{
    return s->size;
}

/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty(LinkedListStack *s)
{
    return size(s) == 0;
}

/* 入栈 */
void push(LinkedListStack *s, int num)
{
    ListNode *node = (ListNode *)malloc(sizeof(ListNode));
    node->next = s->top; // 更新新加节点指针域
    node->val = num;     // 更新新加节点数据域
    s->top = node;       // 更新栈顶
    s->size++;           // 更新栈大小
}

/* 访问栈顶元素 */
int peek(LinkedListStack *s)
{
    if (s->size == 0)
    {
        printf("栈为空\n");
        return INT_MAX;
    }
    return s->top->val;
}

/* 出栈 */
int pop(LinkedListStack *s)
{
    int val = peek(s);
    ListNode *tmp = s->top;
    s->top = s->top->next;
    // 释放内存
    free(tmp);
    s->size--;
    return val;
}

基于数组的实现

使用数组实现栈时，可以将数组的尾部作为栈顶，入栈，出栈分别在尾部添加与删除元素，时间复杂度为O(1);

由于入栈元素可能会源源不断的增加，使用动态数组操作可避免后续增容操作

/* 基于数组实现的栈 */
typedef struct
{
    int *data;
    int size;
} ArrayStack;

/* 构造函数 */
ArrayStack *newArrayStack()
{
    ArrayStack *stack = malloc(sizeof(ArrayStack));
    // 初始化一个大容量，避免扩容
    stack->data = malloc(sizeof(int) * MAX_SIZE);
    stack->size = 0;
    return stack;
}

/* 析构函数 */
void delArrayStack(ArrayStack *stack)
{
    free(stack->data);
    free(stack);
}

/* 获取栈的长度 */
int size(ArrayStack *stack)
{
    return stack->size;
}

/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty(ArrayStack *stack)
{
    return stack->size == 0;
}

/* 入栈 */
void push(ArrayStack *stack, int num)
{
    if (stack->size == MAX_SIZE)
    {
        printf("栈已满\n");
        return;
    }
    stack->data[stack->size] = num;
    stack->size++;
}

/* 访问栈顶元素 */
int peek(ArrayStack *stack)
{
    if (stack->size == 0)
    {
        printf("栈为空\n");
        return INT_MAX;
    }
    return stack->data[stack->size - 1];
}

/* 出栈 */
int pop(ArrayStack *stack)
{
    int val = peek(stack);
    stack->size--;
    return val;
}
/* 测试代码 */
int main()
{
    ArrayStack *stack = newArrayStack();
    push(stack, 1);
    push(stack, 2);
    push(stack, 3);
    printf("%d\n", pop(stack));
    printf("%d\n", pop(stack));
    printf("%d\n", pop(stack));
    printf("%d\n", pop(stack));
    delArrayStack(stack);
    return 0;
}

典型应用

• 浏览器的后退与前进，软件中的撤销和反撤销
• 程序内存管理
• 深度优先算法，回溯算法
• 后缀表达式取值