【数据结构与算法】栈(Stack)之 浅谈数组和链表实现栈各自的优缺点

文章目录

  • 1.栈介绍
  • 2. 哪种结构实现栈会更优?
  • 3.栈代码实现(C语言)

往期相关文章:

  1. 线性表之顺序表
  2. 线性表之链表

1.栈介绍

  栈是一种特殊的线性表,只允许在栈顶(Top)进行插入和删除元素操作,另一端称为栈底,栈中的数据元素遵守后进先出LIFO(Last In First Out)或 先进后出的原则。

  1. 栈的插入操作(Push):称为压栈 或 入栈 或 进栈。
  2. 栈的删除操作(Pop):也叫出栈 或 弹栈。

在这里插入图片描述
  栈顶(top)也可以是最后一次进栈的数据位置,比如上图中,栈顶可以分别是100、200、300的位置,这取决于栈顶初始化成 0 还是 -1。如果栈顶最开始初始化为0,则栈顶是如上图所演示的位置,因为是先Push,然后再栈底top++;如果栈顶初始化为-1,则栈顶是最后一次进栈的数据下标位置,因为是先top++,然后再Push。

2. 哪种结构实现栈会更优?

  栈的实现一般可以使用数组或链表实现。对栈而言数组的结构实现更优一些,因为数组在尾上插入和删除数据的代价很小,时间复杂度均为O(1),且没有其它额外开销。下面具体分析两种结构实现栈的优缺点。

对于链表实现栈,问题很多。一是链表有八种,二是每种链表实现起来都存在缺点。下面简单分析下链表实现栈的问题:

  1. 先说单向链表实现栈,即便是多维护一个尾指针,对于栈的删除操作还是需要遍历,因为需要找到尾节点的上一个节点。

  2. 而对于双向链表,为了解决单向链表实现栈的删除操作问题,唯一可行的只有双向循环链表,不仅轻松地找到尾结点,同时还能找到上一个节点,确实能解决上面谈到的问题。不过这又有其它问题了,每个节点相比于单向链表都多维护了一个指针变量,有一定内存开销。

所以说实现栈的最优结构,还得是数组,且数组自身的特性也产生了几个优点。数组的存储是连续的,正是因为这个原因:

  1. 数组的寄存器命中率比链表高
  2. 寄存器命中后,不会产生寄存器空间污染

数组实现栈的话就没有任何缺点吗?答案是有的,前面也说过,栈是一种特殊的线性表。

  1. 空间给大了或每次扩容扩大了,然后又不使用,那空间就浪费了;4
  2. 空间给小了或者每次扩容扩小了,那插入数据时容量不够经常需要扩容(realloc),扩容本身也有一些消耗
  3. 最不能接受的是,如果后面的内存不足以扩容设定的大小,realloc扩容可能会异地扩容,内存碎片增多,异地扩容意思是跳过这段大小不够的内存空间,到另一片内存区域扩容,这也会导致跳过的那一段内存变成内存碎片,如果一直没有程序去使用,空间也浪费掉了!关于realloc扩容,可以看看我的这篇文章 指针与动态内存 2.3realloc部分。

不过上述数组的缺点,也是能控制的。比如数组初始化大小根据需求给一个折中,扩容方案也折中,比如按自身1.5倍扩,这样能控制扩容的频率不至于太频繁,异地扩容的几率也小一些!优点相比于缺点,利大于弊!最重要的是,比起链表的优缺点,也要好上许多!

3.栈代码实现(C语言)

stack.h

#pragma once#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>typedef int valuetype;typedef struct {valuetype* arr;int top;int capacity;
} Stack;void Init(Stack* stack);void Push(Stack* stack, valuetype value);
void Pop(Stack* stack);valuetype Top(Stack* stack);
int Size(Stack* stack);
bool Empty(Stack* stack);void Destroy(Stack* stack);

stack.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include "Stack.h"void Init(Stack* stack) {assert(stack);stack->arr = NULL;stack->capacity = stack->top = 0;
}void Push(Stack* stack, valuetype value) {assert(stack);if (stack->top == stack->capacity) {stack->capacity = stack->capacity == 0 ? 10 : (int)(stack->capacity * 1.5);stack->arr = (valuetype*)realloc(stack->arr, sizeof(valuetype) * stack->capacity);if (stack->arr == NULL) {perror("realloc failed in the function Push(Stack*, valuetype).");return;}}stack->arr[stack->top++] = value;
}void Pop(Stack* stack) {assert(stack && stack->top > 0);stack->top--;
}valuetype Top(Stack* stack) {assert(stack && stack->top > 0);return stack->arr[stack->top - 1];
}int Size(Stack* stack) {assert(stack);return stack->top;
}bool Empty(Stack* stack) {assert(stack);return stack->top == 0;
}void Destroy(Stack* stack) {assert(stack);free(stack->arr);stack->arr = NULL;stack->capacity = stack->top = 0;
}

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