【深入解析：数据结构栈的魅力与应用】

本章重点

栈的概念及结构

栈的实现方式

数组实现栈接口

栈面试题目

概念选择题

一、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。

栈顶Top：线性表允许插入和删除的那一端。
栈底Bottom：固定的，不允许进行插入和删除的另一端。
空栈：不含任何元素的空表。

二、栈的实现方式

由于栈只能在栈顶操作，所以栈的实现一般可以使用数组或者链表实现，相对而言数组的结构实现更优一些。因为数组在尾上插入数据的代价比较小。单链表的尾插需要遍历结点，这里使用带头双向循环链表也可，但是空间销毁大。单链表也可以实现，我们就需要让栈顶是头结点，栈底是尾结点，这样入栈就是头插，效率高。

1.顺序堆栈

根据前边的分析可知，顺序堆栈和顺序表的数据成员（元素）是相同的，不同之处是，顺序堆栈的入栈和出栈操作只能对当前栈顶元素进行。
顺序堆栈的存储结构如图3-2所示。其中，a0，a1,a2，表示顺序堆栈要存储的元素序列，stack 表示顺序堆栈存放元素的数组，capacity 表示顺序堆栈数组stack的内存单元容量（表示目前允许存储的元素最大个数)，top表示顺序堆栈数组stack的当前栈顶位置。

2.链式堆栈

堆栈有两端，插入元素和删除元素的一端为栈顶，另一端为栈底。对链式堆栈来说，显然,若把靠近头指针的一端定义为栈顶，则插入元素和删除元素时不需要遍历整个链，其时间复杂度为0(1）；若把远离头指针的一端定义为栈顶，则每次插入元素和删除元素时都需要遍历整个链，其时间复杂度为0(n）。因此，链式堆栈都设计成把靠近头指针的一端定义为栈顶。链式堆栈的头结点对操作实现的影响不大，因此可有可无。依次向带头结点链式堆栈输入a0，a1,a2，…….an-1后，带头结点链式堆栈的结构示意图如图3-3所示。

三、数组实现栈接口

// 下面是定长的静态栈的结构，实际中一般不实用，所以我们主要实现下面的支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
#define N 10
typedef struct Stack
{
	STDataType a[N];
	int top; // 栈顶
}Stack;
// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top; // 栈顶
	int capacity; // 容量
}Stack;

// 初始化栈
void StackInit(Stack* ps);
// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data);
// 出栈
void StackPop(Stack* ps);
// 获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* ps);
// 获取栈中有效元素个数
int StackSize(Stack* ps);
// 检测栈是否为空，如果为空返回0，如果不为空返回非零结果
int StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈
void StackDestroy(Stack* ps);

1.初始化栈：void StackInit(Stack* ps)

初始化这里我们先不设置容量，后续入栈再申请空间即可，这里需要注意top的值，我们设置的值是0，它是表示非空栈中的栈顶指针始终在栈顶元素的下一个位置上。

// 初始化栈
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;//表示栈顶元素的下一个位置
	ps->capacity = 0;
}

2.入栈：void StackPush(Stack* ps, STDataType data)

满栈：当我们使一个元素入栈的之前，我们往往需要判断一下栈是否为满栈，防止发生上溢的情况。因为我们定义了一个capacity来表示当前已经分配的存储空间，所以我们可以用ps->top == ps->capacity 来判断当前使用的栈空间是否满了。所以当ps->top == ps->capacity时表示已经满了。

满栈我们要首先追加存储空间，然后才能将元素入栈。realloc()函数可以申请空间，如果realloc第一个参数为空，那么realloc的功能就类似于malloc，这也是为什么我们前面初始化没有开辟空间的原因，写在这里能省大量的代码。

// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newCapacity = (ps->capacity == 0) ? 4 : ps->capacity * 2;
		//如果ps->a == NULL，功能相当与malloc
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, sizeof(STDataType) * newCapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newCapacity;
	}
	ps->a[ps->top] = data;
	ps->top++;
}

3.出栈：void StackPop(Stack* ps)

出栈时我们首先要判断栈是否为空栈，由于是顺序栈，我们只需要判断ps->top > 0即可判断当前栈的情况。

// 出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	//保证不为空
	assert(ps->top > 0);
	ps->top--;
}

4.获取栈顶元素：STDataType StackTop(Stack* ps)

取栈顶元素同样需要判断是否为空栈，空栈也不能取出任何数据，所以这里强制断言，一旦为空栈直接程序报错

// 获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	//保证不为空
	assert(ps->top > 0);
	return ps->a[ps->top - 1];
}

5.获取栈中有效元素个数：int StackSize(Stack* ps)

由于top是非空栈中的栈顶指针始终在栈顶元素的下一个位置上，所以top就是当前栈中有效元素个数

// 获取栈中有效元素个数
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top;
}

6.检测栈是否为空，如果为空返回0，如果不为空返回非零结果：int StackEmpty(Stack* ps)

// 检测栈是否为空，如果为空返回0，如果不为空返回非零结果
int StackEmpty(Stack* ps)
{
	if (ps->top != 0)
		return ps->top;
	else
		return 0;
}

7.销毁栈：void StackDestroy(Stack* ps)

销毁栈只需将申请的空间释放，再把设置的大小和容量设施为0即可。

// 销毁栈
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	free(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}

四、栈面试题目

括号匹配问题。OJ链接

当开始接触题目时，我们会不禁想到如果计算出左括号的数量，和右括号的数量，如果每种括号左右数量相同，会不会就是有效的括号了呢？

事实上不是的，假如输入是 [ { ] }，每种括号的左右数量分别相等，但不是有效的括号。这是因为结果还与括号的位置有关。

仔细分析我们发现，对于有效的括号，它的部分子表达式仍然是有效的括号，比如 { ( )[ ) ] } 是一个有效的括号，( )[ { } ] 是有效的括号，[ ( ) ] 也是有效的括号。并且当我们每次删除一个最小的括号对时，我们会逐渐将括号删除完。比如下面的例子。

这个思考的过程其实就是栈的实现过程。因此我们考虑使用栈，当遇到匹配的最小括号对时，我们将这对括号从栈中删除（即出栈），如果最后栈为空，那么它是有效的括号，反之不是。

bool isValid(char* s) 
{
	Stack st;
	StackInit(&st);
	char topVal;
	while (*s)
	{
		switch (*s)
		{
		case'(':
		case'[':
		case'{':
			StackPush(&st, *s);
			break;
		case')':
		case']':
		case'}':
			//数量不匹配
			if (!StackEmpty(&st))//栈为空
			{
				StackDestroy(&st);//防止内存泄露
				return false;
			}
			topVal = StackTop(&st);
			StackPop(&st);
			//顺序不匹配
			if (*s == ')' && topVal != '(' 
				|| *s == ']' && topVal != '['
				|| *s == '}' && topVal != '}')
			{
				StackDestroy(&st);//防止内存泄露
				return false;
			}
			break;			
		}
		++s;
	}
	//栈不为空，此时只有右括号，false，说明数量不匹配
	int ret = StackEmpty(&st);
	StackDestroy(&st);
	if (ret == 0)
		return false;
	else
		return true;
}

五、概念选择题

1.一个栈的初始状态为空。现将元素1、2、3、4、5、A、B、C、D、E依次入栈，然后再依次出栈，则元素出栈的顺序是（）。

A 、12345ABCDE
B 、EDCBA54321
C 、ABCDE12345
D 、54321EDCBA

元素出栈的顺序遵循后进先出（Last-In-First-Out，LIFO）原则，因此选择B

2.若进栈序列为 1,2,3,4 ，进栈过程中可以出栈，则下列不可能的一个出栈序列是（）

A 1,4,3,2
B 2,3,4,1
C 3,1,4,2
D 3,4,2,1

A：1入栈后出栈，2，3，4入栈，4出栈，3出栈，2出栈，可能。

B：1，2入栈，2出栈，3入栈，3出栈，4入栈，4出栈，1出栈，可能。

C：1，2，3入栈，3出栈，接下来应该是2出栈或者4入栈，不可能1出栈，不可能。

D：1，2，3入栈，3出栈，4入栈，4出栈，2出栈，1出栈，可能。

本章结束啦！！！