阅读:0       作者:解学武

什么是栈,栈及其特点和应用详解

顺序表链表一样,也是用来存储逻辑关系为 "一对一" 数据的线性存储结构,如 1 所示。

栈存储结构示意图
图 1 栈存储结构示意图

从图 1 我们看到,栈存储结构与之前所学的线性存储结构有所差异,这缘于栈对数据 "存" 和 "取" 的过程有特殊的要求:
  1. 栈只能从表的一端存取数据,另一端是封闭的,如图 1 所示;
  2. 在栈中,无论是存数据还是取数据,都必须遵循"先进后出"的原则,即最先进栈的元素最后出栈。拿图 1 的栈来说,从图中数据的存储状态可判断出,元素 1 是最先进的栈。因此,当需要从栈中取出元素 1 时,根据"先进后出"的原则,需提前将元素 3 和元素 2 从栈中取出,然后才能成功取出元素 1。

因此,我们可以给栈下一个定义,即栈是一种只能从表的一端存取数据且遵循 "先进后出" 原则的线性存储结构。

通常,栈的开口端被称为栈顶;相应地,封口端被称为栈底。因此,栈顶元素指的就是距离栈顶最近的元素,拿图 2 来说,栈顶元素为元素 4;同理,栈底元素指的是位于栈最底部的元素,图 2 中的栈底元素为元素 1。

栈顶和栈底
图 2 栈顶和栈底

进栈和出栈

基于栈结构的特点,在实际应用中,通常只会对栈执行以下两种操作:
  • 向栈中添加元素,此过程被称为"进栈"(入栈压栈);
  • 从栈中提取出指定元素,此过程被称为"出栈"(或弹栈);

栈的具体实现

栈是一种 "特殊" 的线性存储结构,因此栈的具体实现有以下两种方式:
  1. 顺序栈:采用顺序存储结构可以模拟栈存储数据的特点,从而实现栈存储结构;
  2. 链栈:采用链式存储结构实现栈结构;

两种实现方式的区别,仅限于数据元素在实际物理空间上存放的相对位置,顺序栈底层采用的是数组,链栈底层采用的是链表。有关顺序栈和链栈的具体实现会在后续章节中作详细讲解。

栈的应用

基于栈结构对数据存取采用 "先进后出" 原则的特点,它可以用于实现很多功能。

例如,我们经常使用浏览器在各种网站上查找信息。假设先浏览的页面 A,然后关闭了页面 A 跳转到页面 B,随后又关闭页面 B 跳转到了页面 C。而此时,我们如果想重新回到页面 A,有两个选择:
  • 重新搜索找到页面 A;
  • 使用浏览器的"回退"功能。浏览器会先回退到页面 B,而后再回退到页面 A。

浏览器 "回退" 功能的实现,底层使用的就是栈存储结构。当你关闭页面 A 时,浏览器会将页面 A 入栈;同样,当你关闭页面 B 时,浏览器也会将 B入栈。因此,当你执行回退操作时,才会首先看到的是页面 B,然后是页面 A,这是栈中数据依次出栈的效果。

不仅如此,栈存储结构还可以帮我们检测代码中的括号匹配问题。多数编程语言都会用到括号(小括号、中括号和大括号),括号的错误使用(通常是丢右括号)会导致程序编译错误,而很多开发工具中都有检测代码是否有编辑错误的功能,其中就包含检测代码中的括号匹配问题,此功能的底层实现使用的就是栈结构。

同时,栈结构还可以实现数值的进制转换功能。例如,编写程序实现从十进制数自动转换成二进制数,就可以使用栈存储结构来实现。

以上也仅是栈应用领域的冰山一角,这里不再过多举例。在后续章节的学习中,我们会大量使用到栈结构。

接下来,我们学习如何实现顺序栈和链栈,以及对栈中元素进行入栈和出栈的操作。