对栈的相关操作详解及堆区、栈区的理解

栈的定义和分类

栈是我们线性结构中的一种常见应用。在函数调用、内存分配等也常常跟栈打交道，栈可以简单的理解为是一种可以实现“先进后出”的存储结构。栈又分为静态栈和动态栈。静态栈以类似于数组方式存放，而动态栈以类似于链表的方式存放。

栈区(Stack)和堆区(heap)

栈区主要用于存放局部变量、定义的形参，在定义时局部变量或形参时由系统自动分配，在函数结束时由系统自动回收存储单元。

堆区主要通过new（常用于C++、Java中），malloc（用于C中）等动态开辟的存储块，函数结束时需要我们通过delete（c++中）、free（c中）手动释放

举例说明：

void f(int n)
{
	int m;
	char ch;
	double *q=(double *)malloc(200);
}

其中的n,m,ch,q由栈区分配(由操作系统帮我们自动分配)， 200由堆区分配(需要我们手动开辟一块存储单元)。
栈和堆表示的是分配数据的一种方式。静态的或局部变量它们是以压栈和出栈的方式分配内存的（这个就叫栈区），而动态内存它们是以一种叫堆排序的方式分配的内存(这个叫堆区)。笼统的讲：凡是静态分配的全部在栈里面分配， 凡是动态分配的全部在堆里面分配。

对栈进行操作的思路

先讲下思路：我们知道链表主要通过头指针(指向头结点的地址)来对链表中的其它结点进行操作，而头结点本身并没有实际含义(既没有存放有效节点，也没有存放有效节点的个数)，但通过它却可以方便我们对链表进行相关操作，如链表的遍历：

void TraverseList(PNODE pHead)
{
PNODE p=pHead->pNext;//将头结点的指针域指向首结点(链表的第一个有效结点)，并赋给指针变量p，此时p指向首节点的地址
printf("遍历整个链表：");
while(NULL!=p)//当p指向首节点的地址不为NULL(即链表不为空)，循环输入个结点的值
{
//当p指向尾结点的地址时，可输出尾结点的值
//但此时尾结点指针域为NULL，将跳出while循环
printf("%d ",p->data);
p=p->pNext;//将p指向下一个结点的地址赋给p指针
}
printf("\n");
}

在这个对链表进行遍历的函数中，我们可以看到我们只需要一个头指针，就可以遍历整个链表。

同理，我们可以通过初始化造出一个空栈，产生头结点，进而对栈进行相关操作。

typedef struct Node //定义结点的数据类型
{
int data;//数据域
struct Node *pNext;//指针域
}NODE,*PNODE;
typedef struct Stack //定义一个Stack结构类型，它含有两个指针成员
{
PNODE pTop;//指向栈顶元素
PNODE pBottom;//指向栈底元素的下一个没有实际含义的元素
}STACK,*PSTACK;

伪算法：

1.造空栈

void init(PSTACK pS)

{

动态产生一个头结点， 并让pTop指向该节点；

让pTop和pBottom都指向头结点；

再让成员pBottom或pTop所指向头结点的指针域为空

}

2.压栈(也叫进栈)

void push(PSTACK pS,int val)

{

创建一个新临时结点；

把val赋给该节点的数据域；

让该新节点的指针域指向栈顶；

最后让该新节点成为新栈顶；

}

3.出栈

bool pop(PSTACK pS)

{

先判断栈是否为空；

临时保存一份栈顶结点；

让栈顶指针指向下一个结点的地址；

释放预先保存的栈顶结点所占的内存；

}

完整实例说明：

#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<stdlib.h>
typedef struct Node //定义结点的数据类型
{
	int data;//数据域
	struct Node *pNext;//指针域
}NODE,*PNODE;
typedef struct Stack
{
	PNODE pTop;//指向栈顶元素
	PNODE pBottom;//指向栈底元素的下一个没有实际含义的元素(头结点)
}STACK,*PSTACK;
void init(PSTACK);//产生一个没有实际含义的头结点，并让pTop和pBottom都指向该头结点
void push(PSTACK,int);//压栈(即进栈)
void traverse(PSTACK);//遍历
bool pop(PSTACK);//出栈
int length(PSTACK);//求栈的长度
bool clear(PSTACK);//清空栈

int main()
{
    STACK S;//STACK等价于struct Stack，为变量S分配内存，其中变量S含两个成员pTop,pBottom
	init(&S);//目的是造出一个空栈，产生一个头结点，以便对栈就行操作
	push(&S,1);
	push(&S,2);
	push(&S,3);
    traverse(&S);
	pop(&S);
	traverse(&S);
	printf("栈的长度为：%d\n",length(&S));
    clear(&S);
	printf("清空后：");
	traverse(&S);
	push(&S,7);
	push(&S,5);
	push(&S,9);
	printf("进栈后：");
    traverse(&S);
	return 0;
}

void init(PSTACK pS)//造空栈
{
	pS->pTop=(PNODE)malloc(sizeof(NODE));//产生头结点，并让pTop指向该头结点
	if(NULL==pS->pTop)
	{
		printf("动态内存分配失败！\n");
		exit(-1);//终止程序
	}
	pS->pBottom=pS->pTop; //让pTop和pBottom都指向头结点
    pS->pBottom->pNext=NULL;
}
void push(PSTACK pS,int val)
{
	PNODE pNew=(PNODE)malloc(sizeof(NODE));//创建新临时节点
    if(NULL==pNew)
	{
		printf("动态内存分配失败！\n");
		exit(-1);//终止程序
	}
	pNew->data=val;
	pNew->pNext=pS->pTop;
    pS->pTop=pNew;
    return; 
}

void traverse(PSTACK pS)
{
	PNODE p=pS->pTop;
	while(p!=pS->pBottom)
	{
		printf("%d  ",p->data);
		p=p->pNext;
	}
	printf("\n");
}
bool pop(PSTACK pS)
{
	if(pS->pBottom==pS->pTop)
	{
		printf("栈为空，无法进行出栈操作！\n");
		return false;
	}
	PNODE p=pS->pTop;
	printf("出栈元素为：%d\n",p->data);
	pS->pTop=p->pNext;
    free(p);
	p=NULL;
	return true;
}
int length(PSTACK pS)
{
	int len=0;
	if(pS->pBottom==pS->pTop)
	{
		printf("栈为空！ ");
		return 0;
	}
	PNODE p=pS->pTop;
	while(p!=pS->pBottom)
	{
		++len;
		p=p->pNext;
	}
	return len;
}
bool clear(PSTACK pS)
{
	if(pS->pBottom==pS->pTop)
	{
		printf("栈为空，清空失败！ \n");
		return false;
	}
	PNODE p=pS->pTop,q;
	while(p!=pS->pBottom)
    {
		q=p->pNext;
		pS->pTop=q;
		free(p);
		p=q;
	}
	pS->pTop=pS->pBottom;
    return true; 
}

注意：

1.free(p); 删除的是p指向的那个结点所占的内存，而不是删除p本身所占的内存；释放结点目的主要是为了防止内存泄露(这不像Java，有垃圾回收机制---由垃圾回收器自动帮你回收)。

2.pBottom始终指向的是栈底元素的下一个没有实际含义的元素(头结点)，头结点是我们人为造出来的，并不存放有效数据；添加struct Stack（含两个成员pTop、pBottom）这个结构体的目的主要是为了方便我们对栈进行操作。

3.初始化时，让pTop和pBottom都指向头结点的目的：一是让它们初始化时所指向的内存地址相同，在整个程序运行过程中，让pBottom始终指向pTop的初始地址，也就是头结点的地址。这样就可以通过pS->pBottom==pS->pTop？是否成立来判断pTop是否指向初始化时原头结点(不存放有效数据的，为方便对栈进行操作的附加结点)的地址，即可以判断栈是否为空，因为如果栈含有有效元素的话，那么pTop必定存放的是新元素的地址。

4.结构体Stack成员pBottom的好处主要有：一是在初始化造空栈时，指向头结点；二是可以在pS->pBottom==pS->pTop成立时判断栈为空。 结构体Stack成员pTop的好处主要有：一是和pBottom一样，在初始化造空栈时，指向头结点；二是通过pTop来对栈中有效元素进行压栈、出栈、遍历等相关操作。

结束语

有关对线性结构中的栈操作今天就写到这了，明天开始学习线性结构常见应用中的队列。