一、什么是栈，什么是FILO

​ 栈是一种具有特殊访问方式的存储空间，它的特殊性在于，最后进入这个空间的数据，最先出去，可以画图来描述一下这种操作方式。

假设有一个盒子和三本书，依次将三本书他们放入盒子中。

入栈模拟图

​ 现在有一个问题，如果一次只能取一本，我们如何将书从盒子中取出来？

​ 显然必须从盒子的最上边开始取，依次取出，和放入的顺序刚好相反。

出栈模拟图

​ 从程序化的角度来讲，应该有一个标记，这个标记一直指示着盒子最上边的书。

​ 如果说，上图中的盒子就是一个栈，我们可以看出栈的两个基本操作：入栈和出栈。入栈就是将一个新元素放到栈顶，出栈就是从栈顶取出一个元素，栈顶的元素总是最后入栈，需要出栈时，有最先被从栈中取出。栈的这种操作被称为：LIFO（last in first out），后进先出

二、栈的作用是什么，为什么编程语言函数调用都选择用栈？

​ 为何现如今所有的编程语言都会采用栈来进行函数调用？函数调用的状态之所以用栈来记录是因为这些数据的存活时间满足“先进后出”（FILO）顺序，而栈的基本操作正好就是支持这种顺序访问的。下面用一组程序举例。

void test1(){}

void test2() {
	test1();
}

void test3() {
	test2();
}

int main() {
	test3();
}

这个程序运行的顺序为：main() ——》 test3() ——》 test2() ——》 test1() ——》 return from test1() ——》 return from test2() ——》 return from test3() ——》 return from test4().

​ 可以看到，调用者的生命周期总是长于被调用者的生命周期，并且后者在前者之内。被调用者的数据总是后于调用者的，而其释放顺序总是先于调用者，所以正好可以满足LIFO顺序，选用栈这种数据结构来实现函数调用则是一种自然而然的选择。

三、使用C模拟实现解析栈

​ 前面说过栈的两个基本操作，入栈和出栈，都只是对栈顶进行操作，栈可以用数组实现也可以用链表实现，这里讲解用数组实现，因为数组实现相对来说更优一些，数组实现在尾部插入数据代价比较小。

1.结构体的定义

​ 由于各种操作都只在栈顶进行，选择定义一个top来记录栈顶的位置，为了节省空间选择定义一个capacity来记录最大长度，如果等于top的话进行扩容。

typedef int STDataType;
typedef struct StackNode {
	STDataType* arr;
	int capacity;
	int top;
}STNode;

2.栈的创建及销毁

​ 由于函数内有对参数指针的引用，加上assert预防程序崩溃，易于调试，top初始化为-1（也可以初始化为0,个人偏向初始化为-1），两者的区别就是一个是栈顶指向栈顶数据，一个指向栈顶数据的下一个，其实本质上差不多。

void STInit(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	pst->arr = NULL;
	pst->capacity = 0;
	pst->top = -1;
}

void STDestroy(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->arr);
	pst->arr = NULL;
	pst->capacity = 0;
	pst->top = 0;
}

3.实现入栈操作

​ 如果栈已经满了，则进行扩容，将数据放到栈顶。

void STPush(STNode* pst,STDataType x)
{
	assert(pst);
	if (pst->capacity==pst->top+1)
	{
		int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* temp = NULL;
		temp = (STDataType*)realloc(pst->arr,sizeof(STDataType) * newcapacity);
		if (temp == NULL)
		{
			perror("malloc error");
			return;
		}
		pst->arr = temp;
		pst->capacity = newcapacity;
	}
	pst->arr[++pst->top] = x;
}

4.获取栈顶元素及出栈操作

​ 出栈操作将栈顶元素向下移动即可，甚至无需删除数据，因为再次进行入栈会将其覆盖掉。获取栈顶元素要获取top的下一个位置，因为top是先存后加。

bool STEmpty(STNode* pst)
{
	return pst->top == -1;
}

void STPop(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	pst->top--;
}

STDataType STTop(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	return pst->arr[pst->top];
}

5.获取栈中有效元素个数

由于数组偏移度是从0开始存数据，所以指向栈顶的top比实际上个数要少1，真正有效元素个数要将top+1。

int StackSize(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top+1;
}

源代码分享

//stack.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
typedef int STDataType;
typedef struct StackNode {
	STDataType* arr;
	int capacity;
	int top;
}STNode;


void STInit(STNode* pst);
void STPush(STNode* pst,STDataType);
void STPop(STNode* pst);
void STDestroy(STNode* pst);
bool STEmpty(STNode* pst);
STDataType STTop(STNode* pst);
//stack.c
#include "stack.h"


bool STEmpty(STNode* pst)
{
	return pst->top == -1;
}



void STInit(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	pst->arr = NULL;
	pst->capacity = 0;
	pst->top = -1;
}

void STDestroy(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->arr);
	pst->arr = NULL;
	pst->capacity = 0;
	pst->top = 0;
}

void STPush(STNode* pst,STDataType x)
{
	assert(pst);
	if (pst->capacity==pst->top+1)
	{
		int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* temp = NULL;
		temp = (STDataType*)realloc(pst->arr,sizeof(STDataType) * newcapacity);
		if (temp == NULL)
		{
			perror("malloc error");
			return;
		}
		pst->arr = temp;
		pst->capacity = newcapacity;
	}
	pst->arr[++pst->top] = x;
}

void STPop(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	pst->top--;
}

STDataType STTop(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	return pst->arr[pst->top];
}

int StackSize(STNode* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top+1;
}

//test.c
#include "stack.h"

void test1()
{
	STNode ST;
	STInit(&ST);
	STPush(&ST, 1);
	STPush(&ST, 2);
	STPush(&ST, 3);
	STPush(&ST, 4);
	STPush(&ST, 5);
	STPush(&ST, 6);
	STPush(&ST, 7);
	while (!STEmpty(&ST))
	{
		printf("%d ", STTop(&ST));
		STPop(&ST);
	}
	STDestroy(&ST);
}


int main()
{
	test1();
}

✨本文收录于数据结构理解与实现

下几期会继续带来栈的练习题以及与栈刚好相反的堆（FIFO）。如果文章对你有帮助记得点赞收藏关注。