详解堆栈的几种实现方法——C语言版

　　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：

/*** 堆栈模块的接口 stack.h*/#include<stdlib.h>#define STACK_TYPE int /* 堆栈所存储的值的数据类型 *//*** 函数原型：create_stack** 创建堆栈，参数指定堆栈可以保存多少个元素。** 注意：此函数只适用于动态分配数组形式的堆栈。*/void create_stack(size_t size);/*** 函数原型：destroy_stack** 销毁一个堆栈，释放堆栈所适用的内存。** 注意：此函数只适用于动态分配数组和链式结构的堆栈。*/void destroy_stack(void);/*** 函数原型：push** 将一个新值压入堆栈中，参数是被压入的值。*/void push(STACK_TYPE value);/*** 函数原型：pop** 弹出堆栈中栈顶的一个值，并丢弃。*/void pop(void);/*** 函数原型：top** 返回堆栈顶部元素的值，但不改变堆栈结构。*/STACK_TYPE top(void);/*** 函数原型：is_empty** 如果堆栈为空，返回TRUE,否则返回FALSE。*/int is_empty(void);/*** 函数原型：is_full** 如果堆栈为满，返回TRUE,否则返回FALSE。*/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：

/*** ** 静态数组实现堆栈程序 a_stack.c ，数组长度由#define确定*/#include"stack.h"#include<assert.h>#include<stdio.h>#define STACK_SIZE 100 /* 堆栈最大容纳元素数量 *//*** 存储堆栈中的数组和一个指向堆栈顶部元素的指针*/static STACK_TYPE stack[STACK_SIZE];static int top_element = -1;/* push */void push(STACK_TYPE value){assert(!is_full()); /* 压入堆栈之前先判断是否堆栈已满*/top_element += 1;stack[top_element] = value;}/* pop */void pop(void){assert(!is_empty()); /* 弹出堆栈之前先判断是否堆栈已空 */top_element -= 1;}/* top */STACK_TYPE top(void){assert(!is_empty());return stack[top_element];}/* is_empty */int is_empty(void){return top_element == -1;}/* is_full */int is_full(void){return top_element == STACK_SIZE - 1;}/*** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。*/void print(void){int i;i = top_element;printf("打印出静态数组堆栈里面的值: ");if(i == -1)printf("这是个空堆栈\n");while(i!= -1)printf("%d ",stack[i--]);printf("\n");}int main(void){print();push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);printf("push压入数值后：\n");print();printf("\n");pop();pop();printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");print();printf("\n");printf("top()调用出来的值: %d\n",top());return 1;}

　　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：

/*** 动态分配数组实现的堆栈程序 d_stack.c** 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。*/#include"stack.h"#include<stdio.h>#include<malloc.h>#include<assert.h>/*** 用于存储堆栈元素的数组和指向堆栈顶部元素的指针*/static STACK_TYPE *stack;static int    stack_size;static int  top_element = -1;/* create_stack */void create_stack(size_t size){assert(stack_size == 0);stack_size = size;stack = (STACK_TYPE *)malloc(stack_size * sizeof(STACK_TYPE));if(stack == NULL)perror("malloc分配失败");}/* destroy */void destroy_stack(void){assert(stack_size > 0);stack_size = 0;free(stack);stack = NULL;}/* push */void push(STACK_TYPE value){assert(!is_full());top_element += 1;stack[top_element] = value;}/* pop */void pop(void){assert(!is_empty());top_element -= 1;}/* top */STACK_TYPE top(void){assert(!is_empty());return stack[top_element];}/* is_empty */int is_empty(void){assert(stack_size > 0);return top_element == -1;}/* is_full */int is_full(void){assert(stack_size > 0);return top_element == stack_size - 1;}/*** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。*/void print(void){int i;i = top_element;printf("打印出动态数组堆栈里面的值: ");if(i == -1)printf("这是个空堆栈\n");while(i!= -1)printf("%d ",stack[i--]);printf("\n");}int main(void){create_stack(50);print();push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);printf("push压入数值后：\n");print();printf("\n");pop();pop();printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");print();printf("\n");printf("top()调用出来的值: %d\n",top());destroy_stack();return 1;}

　　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：

/*** 单链表实现堆栈，没有长度限制*/#include"stack.h"#include<stdio.h>#include<malloc.h>#include<assert.h>#define FALSE 0/*** 定义一个结构以存储堆栈元素。*/typedef struct STACK_NODE{STACK_TYPE value;struct STACK_NODE *next;} StackNode;/* 指向堆栈中第一个节点的指针 */static StackNode *stack;/* create_stack */void create_stack(size_t size){}/* destroy_stack */void destroy_stack(void){while(!is_empty())pop();/* 逐个弹出元素，逐个释放节点内存 */}/* push */void push(STACK_TYPE value){StackNode *new_node;new_node = (StackNode *)malloc(sizeof(StackNode));if(new_node == NULL)perror("malloc fail");new_node->value = value;new_node->next = stack;/* 新元素插入链表头部 */stack = new_node;/* stack 重新指向链表头部 */}/* pop */void pop(void){StackNode *first_node;assert(!is_empty());first_node = stack;stack = first_node->next;free(first_node);}/* top */STACK_TYPE top(void){assert(!is_empty());return stack->value;}/* is_empty */int is_empty(void){return stack == NULL;}/* is_full */int is_full(void){return FALSE;}/*** 定义一个print函数，用来打印堆栈里面的元素。*/void print(void){StackNode *p_node;p_node = stack;printf("打印出链式堆栈里面的值: ");if(p_node == NULL)printf("堆栈为空\n");while(p_node != NULL){printf("%d ", p_node->value);p_node = p_node->next;}printf("\n");}int main(void){print();push(10); push(9); push(7); push(6); push(5);push(4);  push(3); push(2); push(1); push(0);printf("push压入数值后：\n");print();printf("\n");pop();pop();printf("经过pop弹出几个元素后的堆栈元素:\n");print();printf("\n");printf("top()调用出来的值: %d\n",top());destroy_stack();return 1;}

　　结果如下图：

注：本文部分程序参考《C与指针》这本书

原创文章，欢迎转载，转载请注明：blog.csdn.net/jjzhoujun2010

作者：Dream Fly