紙上談兵: 棧 (stack)

作者：Vamei 出處：http://www.cnblogs.com/vamei 歡迎轉載，也請保留這段聲明。謝謝！

 

棧(stack)是簡單的數據結構，但在計算機中使用廣泛。它是有序的元素集合。棧最顯著的特征是LIFO (Last In, First Out, 后進先出)。當我們往箱子里存放一疊書時，先存放的書在箱子下面，我們必須將后存放的書取出來，才能看到和拿出早先存放的書。

 

 

棧中的每個元素稱為一個frame。而最上層元素稱為top frame。棧只支持三個操作， pop, top, push。

pop取出棧中最上層元素(8)，棧的最上層元素變為早先進入的元素(9)。

top查看棧的最上層元素(8)。

push將一個新的元素(5)放在棧的最上層。

棧不支持其他操作。如果想取出元素12, 必須進行3次pop操作。

棧以及pop, push, top操作

 

 

 

棧最經典的計算機應用是函數調用。每個進程都會有一個棧，每個frame中記錄了調用函數的參數，自動變量和返回地址。當該函數調用一個新的函數時，棧中會 push一個frame。當函數執行完畢返回時，該frame會pop，從而進入調用該函數的原函數，繼續執行。詳細請參閱Linux從程序到進程

實際使用的棧並不一定符合數據結構的棧。比如說，有的語言允許被調用函數查看非top frame的記錄。這樣的棧更類似於下面的經典游戲

 

 

棧的C實現 (基於表)

由於棧是限定了操作的有序的元素集合，所以我們既可以在數組的基礎上來實現棧，也可以在表的基礎上來實現棧。如果使用數組來實現棧，我們需要預留充足的空間供棧使用，並需要一個下標來記錄最上層元素的位置。

我們這里使用單向鏈表來實現棧。我們可以利用介紹表(list)的文章中已經定義的操作來實現三個操作，但這里相對獨立的重寫了代碼。

/* By Vamei */
/* use single-linked list to implement stack */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct node *position;
typedef int ElementTP;

// point to the  head node of the list
typedef struct node *STACK;
 
struct node {
    ElementTP element;
    position next;
};

STACK init_stack(void);
void delete_stack(STACK);
ElementTP top(STACK);
void push(STACK, ElementTP);
ElementTP pop(STACK);
int is_null(STACK);

void main(void)
{
    ElementTP a;
    int i;
    STACK sk;
    sk = init_stack();
    push(sk, 1);
    push(sk, 2);
    push(sk, 8);
    printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));
    for (i=0; i<3; i++) {
        a = pop(sk);
        printf("pop: %d\n", a);
    }

    printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));    
    delete_stack(sk);
}

/*
 * initiate the stack
 * malloc the head node.
 * Head node doesn't store valid data
 * head->next is the top node
 */
STACK init_stack(void)
{
    position np;
    STACK    sk;
    np = (position) malloc(sizeof(struct node));
    np->next     = NULL;  // sk->next is the top node
    sk = np; 
    return sk;
}

/* pop out all elements 
 * and then delete head node
 */
void delete_stack(STACK sk)
{
    while(!is_null(sk)) {
        pop(sk);
    }
    free(sk);
}
/* 
 * View the top frame
 */
ElementTP top(STACK sk)
{
    return (sk->next->element);
}

/*
 * push a value into the stack
 */
void push(STACK sk, ElementTP value) 
{
    position np, oldTop;
    oldTop = sk->next;    

    np = (position) malloc(sizeof(struct node));
    np->element  = value;
    np->next     = sk->next;

    sk->next     = np; 
}

/* 
 * pop out the top value
 */
ElementTP pop(STACK sk)
{
    ElementTP element;
    position top, newTop;
    if (is_null(sk)) {
        printf("pop() on an empty stack");
        exit(1);
    } 
    else {
        top      = sk->next;
        element  = top->element;     
        newTop   = top->next;
        sk->next     = newTop;
        free(top);
        return element;
    } 
}

/* check whether a stack is empty*/
int is_null(STACK sk)
{
    return (sk->next == NULL);
}

 

輸出結果:

Stack is null? 0
pop: 8
pop: 2
pop: 1
Stack is null? 1

 

總結

棧, LIFO

pop, push, top

 

歡迎繼續閱讀“紙上談兵: 算法與數據結構”系列。

 

Update:

我之前是用雙向循環鏈表實現的棧，后來發現這樣沒有必要。它不能給棧帶來額外的好處，還會增加所需的內存空間。