【数据结构】栈的应用

目录

0  引言

1  栈在括号匹配中的应用

2  栈在表达式求值中的应用

        2.1 算数表达式

        2.2 中缀表达式转后缀表达式

2.3 后缀表达式求值

3  栈在递归中的应用

3.1 栈在函数调用中的作用

3.2 栈在函数调用中的工作原理

4  总结


0  引言

        栈(Stack)是一种非常基本且重要的数据结构,它们在许多计算机科学和软件工程的应用中都有广泛的用途。

        栈:

                ①括号匹配;

                ②表达式求值;

                ③递归函数调用。

1  栈在括号匹配中的应用

        表达式中有两种括号:圆括号 ( ) 和 方括号 [ ],嵌套的顺序任意,但应为正确的格式。

        例如:( ( [ ] [ ] ) ) 为正确格式。

        但如何用算法实现括号匹配问题?

        思路如下:

        (1)初始一个空栈;

        (2)顺序读入括号;

        (3)当读入的为左括号,将继续读入括号,直到读入第一个右括号。那将检测与之最近的左括号是否与之相匹配,若匹配,则出栈;若不匹配,则退出程序。当程序结束时,栈为空。反之,则表明括号序列的格式不正确。

        代码如下:

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdbool.h>  
  
#define MAX_SIZE 100 // 假设栈的最大大小  
  
typedef struct {  
    char data[MAX_SIZE];  
    int top;  
} Stack;  
  
// 初始化栈  
void initStack(Stack *s) {  
    s->top = -1;  
}  
  
// 判断栈是否为空  
bool isEmpty(Stack *s) {  
    return s->top == -1;  
}  
  
// 入栈  
void push(Stack *s, char c) {  
    if (s->top >= MAX_SIZE - 1) {  
        printf("Stack overflow\n");  
        return;  
    }  
    s->data[++s->top] = c;  
}  
  
// 出栈  
char pop(Stack *s) {  
    if (isEmpty(s)) {  
        printf("Stack underflow\n");  
        return '#'; // 返回一个无效字符,或可以选择抛出一个错误  
    }  
    return s->data[s->top--];  
}  
  
// 检查两个括号是否匹配  
bool isMatch(char c1, char c2) {  
    if (c1 == '(' && c2 == ')') return true;  
    if (c1 == '[' && c2 == ']') return true;  
    if (c1 == '{' && c2 == '}') return true;  
    return false;  
}  
  
// 括号匹配函数  
bool isBalanced(char *str) {  
    Stack s;  
    initStack(&s);  
  
    for (int i = 0; str[i] != '\0'; i++) {  
        if (str[i] == '(' || str[i] == '[' || str[i] == '{') {  
            push(&s, str[i]);  
        } else if (str[i] == ')' || str[i] == ']' || str[i] == '}') {  
            if (isEmpty(&s)) {  
                // 栈为空,但遇到了右括号,不匹配  
                return false;  
            }  
            char topChar = pop(&s);  
            if (!isMatch(topChar, str[i])) {  
                // 栈顶元素与当前右括号不匹配  
                return false;  
            }  
        }  
    }  
  
    // 如果栈为空,则所有括号都匹配  
    return isEmpty(&s);  
}  
  
int main() {  
    char str[MAX_SIZE];  
    printf("Enter a string with brackets: ");  
    scanf("%s", str); 

    if (isBalanced(str)) {  
        printf("The brackets are balanced.\n");  
    } else {  
        printf("The brackets are not balanced.\n");  
    }  
  
    return 0;  
}

2  栈在表达式求值中的应用

        2.1 算数表达式

        中缀表达式是人们常用的算术表达式,即操作符以中缀形式处于操作数之间。但在计算机中,中缀表达式相较于前缀和后缀表达式来说,更不易被计算机识别。前缀表达式成为波兰式,后缀表达式又称逆波兰式。

        2.2 中缀表达式转后缀表达式

        (1)手算方法:

        ①根据运算顺序对表达式运算符排号;

        ②根据运算符排号顺序,将运算符及两端的操作数以(左操作数 右操作数 运算符)的顺序重新组合。

        例如:( A + B ) * C + ( D - E ) / F 转后缀表达式的过程如下:

        (2)算法实现:

        ①初始一个栈;

        ②遇到操作数,直接加入后缀表达式;

        ③遇到界限符,若为左括号直接入栈,若为右括号,则依次弹出栈中的运算符,加入后缀表达式,知道弹出左括号为止。需要注意的是,左括号和右括号直接删除,不加入后缀表达式。

        ④遇到运算符,则看运算符的优先级,若高于除左括号外的栈顶元素,则直接入栈。反之,则依次弹出栈中优先级高于或等于当前运算符的所有运算符,并加入后缀表达式,直到遇到低于他的优先级的运算符,才入栈。

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <stdbool.h>  
  
#define MAX_SIZE 100  
  
typedef struct {  
    char data[MAX_SIZE];  
    int top;  
} Stack;  
  
// 初始化栈  
void initStack(Stack *s) {  
    s->top = -1;  
}  
  
// 判断栈是否为空  
bool isEmpty(Stack *s) {  
    return s->top == -1;  
}  
  
// 入栈  
bool push(Stack *s, char c) {  
    if (s->top >= MAX_SIZE - 1) {  
        return false; // 栈溢出  
    }  
    s->data[++s->top] = c;  
    return true;  
}  
  
// 出栈  
char pop(Stack *s) {  
    if (isEmpty(s)) {  
        return '\0'; // 栈空,返回空字符  
    }  
    return s->data[s->top--];  
}  
  
// 获取栈顶元素,但不弹出  
char peek(Stack *s) {  
    if (isEmpty(s)) {  
        return '\0'; // 栈空,返回空字符  
    }  
    return s->data[s->top];  
}  
  
// 运算符的优先级比较(这里只处理了基本的四则运算)  
int precedence(char op) {  
    if (op == '+' || op == '-') {  
        return 1;  
    }  
    if (op == '*' || op == '/') {  
        return 2;  
    }  
    return 0; // 如果不是运算符,返回0  
}  
  
// 将中缀表达式转换为后缀表达式  
void infixToPostfix(char *infix, char *postfix) {  
    Stack s;  
    initStack(&s);  
    int i = 0, j = 0;  
  
    while (infix[i] != '\0') {  
        if (infix[i] >= '0' && infix[i] <= '9') {  
            // 如果是操作数,直接添加到后缀表达式中  
            postfix[j++] = infix[i++];  
            postfix[j++] = ' '; // 假设操作数都是个位数,用空格分隔  
        } else if (infix[i] == '(') {  
            // 如果是左括号,直接入栈  
            push(&s, infix[i++]);  
        } else if (infix[i] == ')') {  
            // 如果是右括号,则弹出栈中元素直到遇到左括号  
            while (!isEmpty(&s) && peek(&s) != '(') {  
                postfix[j++] = pop(&s);  
                postfix[j++] = ' ';  
            }  
            // 弹出左括号,但不加入后缀表达式  
            pop(&s);  
            i++;  
        } else {  
            // 如果是运算符  
            while (!isEmpty(&s) && precedence(peek(&s)) >= precedence(infix[i])) {  
                // 如果栈不为空且栈顶元素优先级高于或等于当前运算符,弹出栈顶元素  
                postfix[j++] = pop(&s);  
                postfix[j++] = ' ';  
            }  
            // 当前运算符入栈  
            push(&s, infix[i++]);  
        }  
    }  
  
    // 弹出栈中剩余的所有运算符  
    while (!isEmpty(&s)) {  
        postfix[j++] = pop(&s);  
        postfix[j++] = ' ';  
    }  
  
    // 添加字符串结束符  
    postfix[j] = '\0';  
}  
  
int main() {  
    char infix[MAX_SIZE], postfix[MAX_SIZE * 2]; // 后缀表达式可能更长,因此分配更多空间  
  
    printf("Enter an infix expression: ");  
    scanf("%s", infix); // 注意:这里不会处理空格和复杂输入  
  
    infixToPostfix(infix, postfix);  
  
    printf("Postfix expression: %s\n", postfix);  
  
    return 0;  
}

2.3 后缀表达式求值

        后缀表达式(也称为逆波兰表示法或逆波兰记法)是一种不需要括号来标明运算符的优先级的数学表达式。在这种表示法中,所有的运算符都放在操作数的后面。

        求值后缀表达式的基本步骤如下:

  • 初始化一个栈,用于存储操作数。
  • 从左到右扫描后缀表达式。
  • 如果扫描到操作数,则将其压入栈中。
  • 如果扫描到运算符,则从栈中弹出两个操作数(先弹出的为右操作数,后弹出的为左操作数),将这两个操作数作为运算符的输入进行运算,然后将结果压回栈中。
  • 重复步骤2-4,直到后缀表达式扫描完毕。
  • 栈中剩下的元素就是表达式的值。

        示例

        后缀表达式:3 4 + 5 *

        求值过程:

  1. 扫描到 3,压入栈:[3]
  2. 扫描到 4,压入栈:[3, 4]
  3. 扫描到 +,弹出 4 和 3,计算 3 + 4 得到 7,压入栈:[7]
  4. 扫描到 5,压入栈:[7, 5]
  5. 扫描到 *,弹出 5 和 7,计算 7 * 5 得到 35,压入栈:[35]
  6. 扫描完毕,栈中元素 35 即为表达式的值。

        下面是实现代码(以上述示例为例):

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <ctype.h>  
#include <string.h>  
  
#define MAX_STACK_SIZE 100  
  
typedef struct {  
    double data[MAX_STACK_SIZE];  
    int top;  
} Stack;  
  
// 初始化栈  
void initStack(Stack *s) {  
    s->top = -1;  
}  
  
// 判断栈是否为空  
int isEmpty(Stack *s) {  
    return s->top == -1;  
}  
  
// 压栈操作  
void push(Stack *s, double value) {  
    if (s->top >= MAX_STACK_SIZE - 1) {  
        printf("Stack overflow\n");  
        exit(1);  
    }  
    s->data[++s->top] = value;  
}  
  
// 弹栈操作  
double pop(Stack *s) {  
    if (isEmpty(s)) {  
        printf("Stack underflow\n");  
        exit(1);  
    }  
    return s->data[s->top--];  
}  
  
// 求值后缀表达式  
double evaluatePostfix(const char *postfix) {  
    Stack s;  
    initStack(&s);  
  
    const char *token = strtok((char *)postfix, " "); // 假设操作符和操作数之间用空格分隔  
    while (token != NULL) {  
        if (isdigit(token[0])) { // 如果是操作数  
            double value = atof(token);  
            push(&s, value);  
        } else { // 如果是运算符  
            double rightOperand = pop(&s); // 弹出右操作数  
            double leftOperand = pop(&s); // 弹出左操作数  
  
            switch (token[0]) {  
                case '+':  
                    push(&s, leftOperand + rightOperand);  
                    break;  
                case '-':  
                    push(&s, leftOperand - rightOperand);  
                    break;  
                case '*':  
                    push(&s, leftOperand * rightOperand);  
                    break;  
                case '/':  
                    if (rightOperand != 0.0) {  
                        push(&s, leftOperand / rightOperand);  
                    } else {  
                        printf("Error: Division by zero\n");  
                        exit(1);  
                    }  
                    break;  
                default:  
                    printf("Error: Unknown operator\n");  
                    exit(1);  
            }  
        }  
        token = strtok(NULL, " "); // 继续获取下一个token  
    }  
  
    if (!isEmpty(&s)) {  
        return pop(&s); // 栈中剩下的元素就是表达式的值  
    } else {  
        printf("Error: Invalid postfix expression\n");  
        exit(1);  
    }  
}  
  
int main() {  
    const char *postfix = "3 4 + 5 *";  
    double result = evaluatePostfix(postfix);  
    printf("Result: %lf\n", result);  
    return 0;  
}

3  栈在递归中的应用

3.1 栈在函数调用中的作用

  • 参数传递:当调用一个函数时,需要传递参数给该函数。这些参数会被压入栈中,以便函数内部能够访问和使用它们。
  • 局部变量分配:函数内部定义的局部变量会在栈上分配空间。这些变量的生命周期与函数的执行周期相同,当函数执行完毕后,这些局部变量所占用的栈空间会被自动释放。
  • 保存调用的返回地址:在函数调用时,CPU需要知道函数执行完毕后应该返回到哪个位置继续执行。这个返回地址会被保存在栈中,以便函数执行完毕后能够正确地返回到调用它的位置。
  • 保存寄存器以供恢复:在函数调用和返回的过程中,CPU的寄存器状态会发生变化。为了能够在函数返回后恢复原来的寄存器状态,栈会保存这些寄存器的值。

3.2 栈在函数调用中的工作原理

  • 函数调用:当调用一个函数时,系统首先会创建一个新的栈帧(stack frame)来保存该函数的执行环境。这个栈帧包含了函数的返回地址、参数、局部变量等信息。然后,系统会将当前程序的执行状态(如返回地址、寄存器状态等)压入栈中,以便在函数执行完毕后能够恢复。
  • 函数执行:在函数执行过程中,函数会访问栈帧中的参数和局部变量,并根据需要进行计算和操作。同时,如果函数内部调用了其他函数,系统也会为这些被调用的函数创建新的栈帧,并将当前函数的执行状态压入栈中保存。
  • 函数返回:当函数执行完毕或者遇到return语句时,系统会弹出当前函数的栈帧,并根据栈帧中的返回地址返回到调用它的位置继续执行。在返回之前,系统还会恢复调用该函数时的寄存器状态。

        下面将给出一个例子:

        例如:阶乘,大家可以自行调试;

#include <stdio.h>

int step(int n){
    if(n==1)
        return 1;
    else
        return n*step(n-1);
}

int main(){
    int n,s;
    scanf("%d",&n);
    s=step(n);
    printf("%d",s);
}

4  总结

        在本文中,我们深入探讨了栈这一数据结构及其在各种应用场景中的重要作用。栈作为一种后进先出(LIFO)的数据结构,其独特的操作方式——压栈(push)和弹栈(pop),使得它在计算机科学和软件开发中占据了不可或缺的地位。

        详细讨论了栈在多个领域中的应用。其中,后缀表达式的求值是一个经典的栈应用示例。在这个问题中,我们利用栈来存储操作数,并通过操作数的弹出和结果的压入,实现了表达式的正确计算。这种方法不仅简化了表达式的处理流程,而且提高了计算效率。

        此外,栈还在函数调用、递归等方面发挥着重要作用。在函数调用中,栈用于存储局部变量和返回地址,确保函数能够正确地返回并继续执行。在递归算法中,栈用于保存递归调用的中间结果,从而避免重复计算。

        综上所述,栈作为一种基本而强大的数据结构,在各个领域都有着广泛的应用。通过学习和掌握栈的使用方法和应用场景,我们能够更好地解决实际问题,提高编程效率。

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