如何在c语言中构造栈

在C语言中构造栈可以通过使用数组、链表和指针。 优点包括：数组实现的栈结构简单、链表实现的栈结构动态分配内存、指针操作提高性能。以下将详细介绍如何在C语言中构造栈。

一、数组实现栈

数组实现栈是一种静态数据结构，适用于需要固定大小的栈场景。

1.1、定义栈结构

首先，需要定义栈的结构体，包含一个数组和一个指针，指针用于指向栈顶元素。

#define MAX 100
typedef struct {
    int data[MAX];
    int top;
} Stack;

1.2、初始化栈

初始化栈，将栈顶指针设置为-1，表示栈为空。

void initStack(Stack *s) {
    s->top = -1;
}

1.3、判断栈空

判断栈是否为空，如果栈顶指针为-1，则栈为空。

int isEmpty(Stack *s) {
    return s->top == -1;
}

1.4、判断栈满

判断栈是否满，如果栈顶指针为数组最大索引值，则栈满。

int isFull(Stack *s) {
    return s->top == MAX - 1;
}

1.5、入栈操作

将新元素压入栈中，首先检查栈是否满，如果满则提示溢出，否则将元素加入栈顶。

void push(Stack *s, int value) {
    if (isFull(s)) {
        printf("Stack Overflown");
        return;
    }
    s->data[++(s->top)] = value;
}

1.6、出栈操作

从栈顶弹出元素，首先检查栈是否空，如果为空则提示栈空，否则返回栈顶元素并调整栈顶指针。

int pop(Stack *s) {
    if (isEmpty(s)) {
        printf("Stack Underflown");
        return -1; // Return an error value
    }
    return s->data[(s->top)--];
}

1.7、查看栈顶元素

查看栈顶元素而不删除它，首先检查栈是否空，如果为空则提示栈空，否则返回栈顶元素。

int peek(Stack *s) {
    if (isEmpty(s)) {
        printf("Stack is Emptyn");
        return -1; // Return an error value
    }
    return s->data[s->top];
}

二、链表实现栈

链表实现栈是一种动态数据结构，适用于需要灵活调整栈大小的场景。

2.1、定义栈节点结构

首先，需要定义栈节点的结构体，每个节点包含一个数据域和指向下一个节点的指针。

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} Node;

2.2、初始化栈

初始化栈，将栈顶指针设置为NULL，表示栈为空。

Node* initStack() {
    return NULL;
}

2.3、判断栈空

判断栈是否为空，如果栈顶指针为NULL，则栈为空。

int isEmpty(Node *top) {
    return top == NULL;
}

2.4、入栈操作

将新元素压入栈中，创建一个新节点并将其插入到栈顶。

void push(Node top, int value) {
    Node *newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (!newNode) {
        printf("Memory allocation failedn");
        return;
    }
    newNode->data = value;
    newNode->next = *top;
    *top = newNode;
}

2.5、出栈操作

从栈顶弹出元素，首先检查栈是否空，如果为空则提示栈空，否则返回栈顶元素并调整栈顶指针。

int pop(Node top) {
    if (isEmpty(*top)) {
        printf("Stack Underflown");
        return -1; // Return an error value
    }
    Node *temp = *top;
    int poppedValue = temp->data;
    *top = (*top)->next;
    free(temp);
    return poppedValue;
}

2.6、查看栈顶元素

查看栈顶元素而不删除它，首先检查栈是否空，如果为空则提示栈空，否则返回栈顶元素。

int peek(Node *top) {
    if (isEmpty(top)) {
        printf("Stack is Emptyn");
        return -1; // Return an error value
    }
    return top->data;
}

三、栈的实际应用

栈在实际应用中有广泛的使用场景，包括表达式求值、括号匹配、递归实现等。

3.1、表达式求值

栈可以用于求解逆波兰表达式（后缀表达式），通过遍历表达式，将操作数压入栈中，遇到运算符时弹出操作数进行计算，结果再压入栈中。

int evaluatePostfix(char* expression) {
    Stack s;
    initStack(&s);
    for (int i = 0; expression[i]; ++i) {
        if (isdigit(expression[i])) {
            push(&s, expression[i] - '0');
        } else {
            int val1 = pop(&s);
            int val2 = pop(&s);
            switch (expression[i]) {
                case '+': push(&s, val2 + val1); break;
                case '-': push(&s, val2 - val1); break;
                case '*': push(&s, val2 * val1); break;
                case '/': push(&s, val2 / val1); break;
            }
        }
    }
    return pop(&s);
}

3.2、括号匹配

栈可以用于检查表达式中的括号是否匹配，通过遍历表达式，将左括号压入栈中，遇到右括号时弹出栈顶元素进行匹配，如果栈为空或者不匹配则表达式不合法。

int isBalanced(char* expression) {
    Stack s;
    initStack(&s);
    for (int i = 0; expression[i]; ++i) {
        if (expression[i] == '(' || expression[i] == '{' || expression[i] == '[') {
            push(&s, expression[i]);
        } else if (expression[i] == ')' || expression[i] == '}' || expression[i] == ']') {
            if (isEmpty(&s)) {
                return 0;
            }
            char top = pop(&s);
            if ((expression[i] == ')' && top != '(') ||
                (expression[i] == '}' && top != '{') ||
                (expression[i] == ']' && top != '[')) {
                return 0;
            }
        }
    }
    return isEmpty(&s);
}

四、性能优化和注意事项

4.1、内存管理

在链表实现栈时，需要注意内存管理，及时释放不再使用的节点，避免内存泄漏。

4.2、边界条件

在数组实现栈时，需要注意栈满和栈空的情况，避免访问越界和非法操作。

4.3、效率优化

在实现栈操作时，可以通过优化代码逻辑和减少不必要的操作，提高栈的操作效率。例如，在链表实现栈时，可以提前分配内存块，减少频繁的内存分配和释放操作。

五、总结

通过本文的介绍，了解了如何在C语言中构造栈，包括数组实现栈和链表实现栈两种方法。对于固定大小的栈，数组实现的方式简单高效；对于需要动态调整大小的栈，链表实现的方式更为灵活。在实际应用中，栈具有广泛的用途，如表达式求值、括号匹配等。希望本文能够帮助你更好地理解和应用栈结构，提高编程能力和解决问题的能力。

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