数据结构中的栈是一种重要的抽象数据类型,其设计思想源于现实生活中的堆栈,具有后进先出(LIFO,Last In First Out)的特性。栈在计算机科学中有着广泛的应用,如表达式求值、括号匹配、递归计算等。
栈的基本操作包括:
1. **clear()**:清空栈,将栈顶指针设置为初始状态,通常是-1,表示栈为空。
2. **isEmpty()**:判断栈是否为空,如果栈顶指针等于-1,则栈为空。
3. **push(el)**:将元素el压入栈顶,即在栈顶添加新的元素。
4. **pop()**:从栈顶取出并返回一个元素,称为退栈或弹出操作。
5. **topEl()**:获取栈顶元素的值,但不删除该元素。
栈可以使用两种主要的方式来表示和实现:
1. **顺序方式**:使用一维数组来存储栈中的元素,栈顶通常指向数组的最后一个可用位置。当栈满时,可以通过调整数组大小来扩展栈;当栈空时,栈顶指针为-1。
2. **链式方式**:使用链表结构来存储栈中的元素,每个节点包含数据域和链接到下一个节点的指针。链式栈的优点在于动态扩展和收缩更为灵活,不会受到固定数组大小的限制。
顺序栈的实现中,例如C++中的模板类`Stack<T>`,包括了栈的初始化、进栈、出栈等方法。初始化时,通过构造函数分配内存,并将栈顶指针设置为-1。进栈操作检查栈是否已满,若未满则将元素加入数组末尾并更新栈顶指针。出栈操作检查栈是否为空,若非空则将栈顶元素移除并返回,同时更新栈顶指针。
此外,还可以实现两个栈共享同一块栈空间,通过设置两个栈的栈底在空间的两端,栈顶向中间伸展,只有当两个栈顶相遇时才发生溢出。这种方式可以节省内存空间,但需要额外管理两个栈的状态。
链式栈的实现则涉及节点类`Node<T>`,每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。链式栈的进栈操作创建新节点,将数据存入并将其链接到当前栈顶,然后更新栈顶指针。退栈操作则需要获取当前栈顶节点的数据,将栈顶指针移动到下一个节点。
在实际应用中,栈常用于表达式的后缀表达式(逆波兰表示法)求值、深度优先搜索(DFS)算法、编译器中的符号表管理、网页浏览器的前进/后退功能等。队列是另一种线性数据结构,与栈不同,它遵循先进先出(FIFO,First In First Out)原则,将在后续内容中详述。