Chapter3.1:栈
创始人
2025-05-30 22:50:10
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该系列属于计算机基础系列中的《数据结构基础》子系列,参考书《数据结构考研复习指导》(王道论坛 组编),完整内容请阅读原书。



1.栈

1.1 栈的基本概念
  1. 栈的定义

    • 栈(Stack)({\rm Stack})(Stack):只允许在一端进行插入或删除操作的线性表;

    • 栈是一种线性表,但限定这种线性表只能在某一端进行插入和删除操作;

    • 栈结构图解如下:

      1

    • 栈顶(Top)({\rm Top})(Top):线性表允许进行插入和删除操作的一端;

    • 栈底(Bottom)({\rm Bottom})(Bottom):固定,不允许进行插入和删除操作的一端;

    • 空栈:不含任何元素的空表;

    • 假设某个栈S=(a1,a2,a3,a4,a5)S=(a_1,a_2,a_3,a_4,a_5)S=(a1​,a2​,a3​,a4​,a5​),如上图的栈结构,根据栈顶栈底定义,可知,a1a_1a1​为栈底元素,a5a_5a5​为栈顶元素;进栈次序依次为:a1,a2,a3,a4,a5a_1,a_2,a_3,a_4,a_5a1​,a2​,a3​,a4​,a5​,出栈次序依次为:a5,a4,a3,a2,a1a_5,a_4,a_3,a_2,a_1a5​,a4​,a3​,a2​,a1​;

    • 栈的操作特性概括为:后进先出(LastInFirstOut,LIFO)({\rm Last\ In\ First\ Out,LIFO})(Last In First Out,LIFO);

    • 栈的数学性质:nnn个不同元素进栈,出栈元素不同排列的个数为:1n+1C2nn\displaystyle\frac{1}{n+1}C_{2n}^nn+11​C2nn​,称为卡特兰(Catalan)({\rm Catalan})(Catalan)数;

  2. 栈的基本操作

    • InitStack(&S){\rm InitStack(\&S)}InitStack(&S):初始化一个空栈SSS;
    • StackEmpty(S){\rm StackEmpty(S)}StackEmpty(S):判断一个栈是否为空,若栈SSS为空,则返回true{\rm true}true,否则返回false{\rm false}false;
    • Push(&S,x){\rm Push(\&S,x)}Push(&S,x):进栈,若栈SSS未满,则将x{\rm x}x加入使之成为新栈顶;
    • Pop(&S,&x){\rm Pop(\&S,\&x)}Pop(&S,&x):出栈,若栈SSS非空,则弹出栈顶元素,并用x{\rm x}x返回;
    • GetTop(S,&x){\rm GetTop(S,\&x)}GetTop(S,&x):读栈顶元素,若栈SSS非空,则用x{\rm x}x返回栈顶元素;
    • DestroyStack(&S){\rm DestroyStack(\&S)}DestroyStack(&S):销毁栈,并释放栈SSS占用的存储空间;
1.2 栈的顺序存储结构
1.2.1 顺序栈的实现
  • 采用顺序存储的栈称为顺序栈,其利用一组地址连续的存储单元存放自栈底到栈顶的数据元素,同时附设一个指针(top)({\rm top})(top)指示当前栈顶元素的位置;

  • 栈的顺序存储类型描述:

    #define MaxSize 50				// 定义栈中元素的最大个数
    typedef struct{Elemtype data [MaxSize];	// 存放栈中元素int top;					// 栈顶指针
    }SqStack;
    
  • 栈顶指针:S.top{\rm S.top}S.top,初始时设置S.top=−1{\rm S.top=-1}S.top=−1;栈顶元素:S.data[S.top]{\rm S.data[S.top]}S.data[S.top];

  • 进栈操作:栈不满时,栈顶指针先加111,再送值到栈顶元素;

  • 出栈操作:栈非空时,先取栈顶元素值,再将栈顶指针减111;

  • 栈空条件:S.top==−1{\rm S.top==-1}S.top==−1;栈满条件:S.top==MaxSize−1{\rm S.top==MaxSize-1}S.top==MaxSize−1;栈长:S.top+1{\rm S.top+1}S.top+1;

1.2.2 顺序栈的基本运算
  • 栈顶指针和栈中元素间的关系图解如下:

    2

    • 上述图解相关说明:图(a){\rm (a)}(a)为空栈,图(b){\rm (b)}(b)只有111个栈元素,图(c){\rm (c)}(c)是A、B、C、D、E{\rm A、B、C、D、E}A、B、C、D、E依次进栈的结果,图(d){\rm (d)}(d)是E、D、C{\rm E、D、C}E、D、C元素相继出栈,此时栈顶指针移至元素B{\rm B}B;
  • 顺序栈常用的基本运算

    • 初始化:

      void InitStack(SqStack &S){S.top=-1;		// 初始化栈顶指针
      }
      
    • 判栈空:

      bool StackEmpty(SqStack S){if(S.top==-1)return true;		// 栈空返回trueelsereturn false;		// 栈非空返回false
      }
      
    • 进栈操作:

      bool Push(SqStack &S,ElemType x){if(S.top==MaxSize-1)return false;		// 栈满,报错S.data[++S.top]=x;		// 栈顶指针先加1,再入栈return true;
      }
      
    • 出栈操作:

      bool Pop(SqStack &S,ElemType &x){if(S.top==-1)return false;		// 栈空,报错x=S.data[S.top--];		// 先出栈,栈顶指针再减1return true;
      }
      
    • 读栈顶元素:

      // 此操作仅是读取栈顶元素,但没有出栈
      bool GetTop(SqStack S,ElemType &x){if(S.top==-1)return false;		// 栈空,报错x=S.data[S.top];		// x记录栈顶元素return true;
      }
      
1.2.3 共享栈
  • 利用栈底位置相对不变的特性,可让两个顺序栈共享一个一维数组空间,将两个栈的栈底分别设置在共享空间的两端,两个栈顶向共享空间中间延伸;

  • 共享栈的结构图解:

    3

  • 两个顺序栈的栈顶指针均指向栈顶元素,top0=−1{\rm top0=-1}top0=−1时,000号栈为空;top1=MaxSize{\rm top1=MaxSize}top1=MaxSize时,111号栈为空;当两个栈顶指针相邻,即top1−top0=1{\rm top1-top0=1}top1−top0=1时,判断为栈满;

  • 当000号栈进栈时,top0{\rm top0}top0先加111再赋值,111号栈进栈时,top1{\rm top1}top1先减111再赋值;出栈操作则相反;

  • 共享栈目的:为了更有效地利用存储空间,两个栈的空间相互调节,只有在整个存储空间被栈满时才会发生上溢,其存取数据的时间复杂度均为O(1)O(1)O(1);

1.3 栈的链式存储结构
  • 采用链式存储的栈称为链栈;

  • 链栈的优点:便于多个栈共享存储空间和提高效率,且不存在栈满上溢的情况;

  • 链栈通常采用单链表实现,并规定所有操作都在单链表的表头进行;

  • 链栈存储结构图解如下(此处规定链栈没有头结点,Lhead{\rm Lhead}Lhead指向栈顶元素):

    4

  • 栈的链式存储类型描述:

    typedef struct Linknode{ElemType data;				// 数据域struct Linknode *next;		// 指针域
    }*LinkStack;					// 栈类型定义
    

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