详解堆栈的几种实现方法

　　基本的抽象数据类型（ADT）是编写C程序必要的过程，这类ADT有链表、堆栈、队列和树等，本文主要讲解下堆栈的几种实现方法以及他们的优缺点。

　　堆栈（stack）的显著特点是后进先出（Last-In First-Out, LIFO），其实现的方法有三种可选方案：静态数组、动态分配的数组、动态分配的链式结构。

　　静态数组：特点是要求结构的长度固定，而且长度在编译时候就得确定。其优点是结构简单，实现起来方便而不容易出错。而缺点就是不够灵活以及固定长度不容易控制，适用于知道明确长度的场合。

　　动态数组：特点是长度可以在运行时候才确定以及可以更改原来数组的长度。优点是灵活，缺点是由此会增加程序的复杂性。

　　链式结构：特点是无长度上线，需要的时候再申请分配内存空间，可最大程度上实现灵活性。缺点是链式结构的链接字段需要消耗一定的内存，在链式结构中访问一个特定元素的效率不如数组。

　　首先先确定一个堆栈接口的头文件，里面包含了各个方案下的函数原型，放在一起是为了实现程序的模块化以及便于修改。然后再接着分别介绍各个方案的具体实施方法。

　　堆栈接口stack.h文件代码：

[cpp] view plain copy

1. /* 
2. ** 堆栈模块的接口 stack.h 
3. */  
4. #include<stdlib.h>  
5.   
6. #define STACK_TYPE int /* 堆栈所存储的值的数据类型 */  
7.   
8. /* 
9. ** 函数原型：create_stack 
10. ** 创建堆栈，参数指定堆栈可以保存多少个元素。 
11. ** 注意：此函数只适用于动态分配数组形式的堆栈。 
12. */  
13. void create_stack(size_t size);  
14.   
15. /* 
16. ** 函数原型：destroy_stack 
17. ** 销毁一个堆栈，释放堆栈所适用的内存。 
18. ** 注意：此函数只适用于动态分配数组和链式结构的堆栈。 
19. */  
20. void destroy_stack(void);  
21.   
22. /* 
23. ** 函数原型：push 
24. ** 将一个新值压入堆栈中，参数是被压入的值。 
25. */  
26. void push(STACK_TYPE value);  
27.   
28. /* 
29. ** 函数原型：pop 
30. ** 弹出堆栈中栈顶的一个值，并丢弃。 
31. */  
32. void pop(void);  
33.   
34. /* 
35. ** 函数原型：top 
36. ** 返回堆栈顶部元素的值，但不改变堆栈结构。 
37. */  
38. STACK_TYPE top(void);  
39.   
40. /* 
41. ** 函数原型：is_empty 
42. ** 如果堆栈为空，返回TRUE,否则返回FALSE。 
43. */  
44. int is_empty(void);  
45.   
46. /* 
47. ** 函数原型：is_full 
48. ** 如果堆栈为满，返回TRUE,否则返回FALSE。 
49. */  
50. int is_full(void);  

　　一、静态数组堆栈

　　在静态数组堆栈中，STACK_SIZE表示堆栈所能存储的元素的最大值，用top_element作为数组下标来表示堆栈里面的元素，当top_element == -1的时候表示堆栈为空；当top_element == STACK_SIZE - 1的时候表示堆栈为满。push的时候top_element加1，top_element == 0时表示第一个堆栈元素；pop的时候top_element减1。

　　a_stack.c 源代码如下：

[cpp] view plain copy

1. /* 
2. **  
3. ** 静态数组实现堆栈程序 a_stack.c ，数组长度由#define确定 
4. */  
5.   
6. #include"stack.h"  
7. #include<assert.h>  
8. #include<stdio.h>  
9.   
10. #define STACK_SIZE 100 /* 堆栈最大容纳元素数量 */  
11.   
12. /* 
13. ** 存储堆栈中的数组和一个指向堆栈顶部元素的指针 
14. */  
15. static STACK_TYPE stack[STACK_SIZE];  
16. static int top_element = -1;  
17.   
18. /* push */  
19. void push(STACK_TYPE value)  
20. {  
21.     assert(!is_full()); /* 压入堆栈之前先判断是否堆栈已满*/  
22.     top_element += 1;  
23.     stack[top_element] = value;  
24. }  
25.   
26. /* pop */  
27. void pop(void)  
28. {  
29.     assert(!is_empty()); /* 弹出堆栈之前先判断是否堆栈已空 */  
30.     top_element -= 1;  
31. }  
32.   
33. /* top */  
34. STACK_TYPE top(void)  
35. {  
36.     assert(!is_empty());  
37.     return stack[top_element];  
38. }  
39.   
40. /* is_empty */  
41. int is_empty(void)  
42. {  
43.     return top_element == -1;  
44. }  
45.   
46. /* is_full */  
47. int is_full(void)  
48. {  
49.     return top_element == STACK_SIZE - 1;  
50. }  
51.   
52. /* 
53. ** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。 
54. */  
55. void print(void)  
56. {  
57.     int i;  
58.     i = top_element;  
59.     printf("打印出静态数组堆栈里面的值: ");  
60.     if(i == -1)  
61.         printf("这是个空堆栈\n");  
62.     while(i!= -1)  
63.         printf("%d ",stack[i--]);  
64.     printf("\n");  
65. }  
66. int main(void)  
67. {  
68.     print();  
69.     push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);  
70.     push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);  
71.     printf("push压入数值后：\n");  
72.     print();  
73.     printf("\n");  
74.     pop();  
75.     pop();  
76.     printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");  
77.     print();  
78.     printf("\n");  
79.     printf("top()调用出来的值: %d\n",top());  
80.     return 1;  
81. }  

　　结果如下图：

　　二、动态数组堆栈

　　头文件还是用stack.h，改动的并不是很多，增加了stack_size变量取代STACK_SIZE来保存堆栈的长度，数组由一个指针来代替，在全局变量下缺省为0。

　　create_stack函数首先检查堆栈是否已经创建，然后才分配所需数量的内存并检查分配是否成功。destroy_stack函数首先检查堆栈是否存在，已经释放内存之后把长度和指针变量重新设置为零。is_empty 和 is_full 函数中添加了一条断言，防止任何堆栈函数在堆栈被创建之前就被调用。

　　d_stack.c源代码如下：

[cpp] view plain copy

1. /* 
2. ** 动态分配数组实现的堆栈程序 d_stack.c 
3. ** 堆栈的长度在创建堆栈的函数被调用时候给出，该函数必须在任何其他操作堆栈的函数被调用之前条用。 
4. */  
5. #include"stack.h"  
6. #include<stdio.h>  
7. #include<malloc.h>  
8. #include<assert.h>  
9.   
10. /* 
11. ** 用于存储堆栈元素的数组和指向堆栈顶部元素的指针 
12. */  
13. static STACK_TYPE *stack;  
14. static int        stack_size;  
15. static int        top_element = -1;  
16.   
17. /* create_stack */  
18. void create_stack(size_t size)  
19. {  
20.     assert(stack_size == 0);  
21.     stack_size = size;  
22.     stack = (STACK_TYPE *)malloc(stack_size * sizeof(STACK_TYPE));  
23.     if(stack == NULL)  
24.         perror("malloc分配失败");  
25. }  
26.   
27. /* destroy */  
28. void destroy_stack(void)  
29. {  
30.     assert(stack_size > 0);  
31.     stack_size = 0;  
32.     free(stack);  
33.     stack = NULL;  
34. }  
35.   
36. /* push */  
37. void push(STACK_TYPE value)  
38. {  
39.     assert(!is_full());  
40.     top_element += 1;  
41.     stack[top_element] = value;  
42. }  
43.   
44. /* pop */  
45. void pop(void)  
46. {  
47.     assert(!is_empty());  
48.     top_element -= 1;  
49. }  
50.   
51. /* top */  
52. STACK_TYPE top(void)  
53. {  
54.     assert(!is_empty());  
55.     return stack[top_element];  
56. }  
57.   
58. /* is_empty */  
59. int is_empty(void)  
60. {  
61.     assert(stack_size > 0);  
62.     return top_element == -1;  
63. }  
64.   
65. /* is_full */  
66. int is_full(void)  
67. {  
68.     assert(stack_size > 0);  
69.     return top_element == stack_size - 1;  
70. }  
71.   
72.   
73. /* 
74. ** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。 
75. */  
76. void print(void)  
77. {  
78.     int i;  
79.     i = top_element;  
80.     printf("打印出动态数组堆栈里面的值: ");  
81.     if(i == -1)  
82.         printf("这是个空堆栈\n");  
83.     while(i!= -1)  
84.         printf("%d ",stack[i--]);  
85.     printf("\n");  
86. }  
87. int main(void)  
88. {  
89.     create_stack(50);  
90.     print();  
91.     push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);  
92.     push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);  
93.     printf("push压入数值后：\n");  
94.     print();  
95.     printf("\n");  
96.     pop();  
97.     pop();  
98.     printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");  
99.     print();  
100.     printf("\n");  
101.     printf("top()调用出来的值: %d\n",top());  
102.     destroy_stack();  
103.     return 1;  
104. }  

　　结果如下图：

　　三、链式堆栈

　　由于只有堆栈顶部元素才可以被访问，因此适用单链表可以很好实现链式堆栈，而且无长度限制。把一个元素压入堆栈是通过在链表头部添加一个元素实现。弹出一个元素是通过删除链表头部第一个元素实现。由于没有长度限制，故不需要create_stack函数，需要destroy_stack进行释放内存以避免内存泄漏。

　　头文件stack.h 不变，l_stack.c 源代码如下：

[cpp] view plain copy

1. /* 
2. ** 单链表实现堆栈，没有长度限制 
3. */  
4. #include"stack.h"  
5. #include<stdio.h>  
6. #include<malloc.h>  
7. #include<assert.h>  
8.   
9. #define FALSE 0  
10.   
11. /* 
12. ** 定义一个结构以存储堆栈元素。 
13. */  
14. typedef struct STACK_NODE  
15. {  
16.     STACK_TYPE value;  
17.     struct STACK_NODE *next;  
18. } StackNode;  
19.   
20. /* 指向堆栈中第一个节点的指针 */  
21. static StackNode *stack;  
22.   
23. /* create_stack */  
24. void create_stack(size_t size)  
25. {}  
26.   
27. /* destroy_stack */  
28. void destroy_stack(void)  
29. {  
30.     while(!is_empty())  
31.         pop();  /* 逐个弹出元素，逐个释放节点内存 */  
32. }  
33.   
34. /* push */  
35. void push(STACK_TYPE value)  
36. {  
37.     StackNode *new_node;  
38.     new_node = (StackNode *)malloc(sizeof(StackNode));  
39.     if(new_node == NULL)  
40.         perror("malloc fail");  
41.     new_node->value = value;  
42.     new_node->next = stack;  /* 新元素插入链表头部 */  
43.     stack = new_node;       /* stack 重新指向链表头部 */  
44. }  
45.   
46. /* pop */  
47. void pop(void)  
48. {  
49.     StackNode *first_node;  
50.       
51.     assert(!is_empty());  
52.     first_node = stack;  
53.     stack = first_node->next;  
54.     free(first_node);  
55. }  
56.   
57. /* top */  
58. STACK_TYPE top(void)  
59. {  
60.     assert(!is_empty());  
61.     return stack->value;  
62. }  
63.   
64. /* is_empty */  
65. int is_empty(void)  
66. {  
67.     return stack == NULL;  
68. }  
69.   
70. /* is_full */  
71. int is_full(void)  
72. {  
73.     return FALSE;  
74. }  
75.   
76.   
77. /* 
78. ** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。 
79. */  
80. void print(void)  
81. {  
82.     StackNode *p_node;  
83.     p_node = stack;  
84.     printf("打印出链式堆栈里面的值: ");  
85.     if(p_node == NULL)  
86.         printf("堆栈为空\n");  
87.     while(p_node != NULL)  
88.     {  
89.         printf("%d ", p_node->value);  
90.         p_node = p_node->next;  
91.     }  
92.     printf("\n");  
93. }  
94. int main(void)  
95. {  
96.     print();  
97.     push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);  
98.     push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);  
99.     printf("push压入数值后：\n");  
100.     print();  
101.     printf("\n");  
102.     pop();  
103.     pop();  
104.     printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");  
105.     print();  
106.     printf("\n");  
107.     printf("top()调用出来的值: %d\n",top());  
108.     destroy_stack();  
109.     return 1;  
110. }  

　　结果如下图：

注：本文部分程序参考《C与指针》这本书

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作者：Dream Fly