数据结构：二级指针与Stack的数组实现

2023-08-16 16:56:34

【简介】

Stack，栈结构，即传统的LIFO，后进先出，常用的实现方法有数组法和链表法两种。如果看过我上一篇文章《数据结构：二级指针与不含表头的单链表》，一定会看到其中的关键在于，利用void*指针将数据结构抽象出来，适用于任何数据类型。这次尝试利用void**，两级void指针，用数组法实现Stack的数据结构。

【Stack数据结构】

Stack 结构的申明如下（stack.c）：

   1:  #include   "stack.h"

   2:  #include   "stdio.h"

3:

   4:  struct _Stack{

   5:      void        **   base;      // Stack must be a void * pointer

   6:      void        **   top;       // top of stack, which will change at run-time

   7:      unsigned int     size;      // stack volume

   8:      unsigned int     entries;   // used stack value, initial to 0

   9:  };

10:

  11:  static  Stack          Stack_Pool[MAX_STACK];

  12:  static  unsigned int   Stack_Pool_Entries = 0;

.csharpcode, .csharpcode pre
{
font-size: small;
color: black;
font-family: consolas, "Courier New", courier, monospace;
background-color: #ffffff;
/*white-space: pre;*/
}
.csharpcode pre { margin: 0em; }
.csharpcode .rem { color: #008000; }
.csharpcode .kwrd { color: #0000ff; }
.csharpcode .str { color: #006080; }
.csharpcode .op { color: #0000c0; }
.csharpcode .preproc { color: #cc6633; }
.csharpcode .asp { background-color: #ffff00; }
.csharpcode .html { color: #800000; }
.csharpcode .attr { color: #ff0000; }
.csharpcode .alt
{
background-color: #f4f4f4;
width: 100%;
margin: 0em;
}
.csharpcode .lnum { color: #606060; }

这里的栈底是一个void**指针base，这个指针将在以后操作中永远不会修改，因为入栈和出栈都是对void** top指针进行操作的，即入栈时将数据（当然是一个void*的指针的地址）放在top指向的地方，将top++，出栈时先判断是否为空，将top--，之后取出栈顶即可。因为是void**二级指针，所以++，--操作是合法的，若是void*一级指针，所有的代数运算都不合法。其实可以做的更节省一点，即利用entries成员作为偏移值，算出栈顶，而不用专门使用一个top来进行操作，base[entries]即是栈顶，不过是我后来才想起的，就先这样用吧懒得改了。

   1:  Stack * STK_Create(void ** pp_base, unsigned int size)

   2:  {

   3:      Stack * p_s;

   4:      if(Stack_Pool_Entries>=MAX_STACK)

   5:          return (Stack*)0;

   6:      p_s = &Stack_Pool[Stack_Pool_Entries];

7:

   8:      /* Initialize stack pointer */

   9:      p_s->base     = pp_base;

  10:      p_s->size     = size;

  11:      p_s->top      = pp_base;

  12:      p_s->entries  = 0;

13:

  14:      Stack_Pool_Entries++;

  15:      return p_s;

  16:  }

上面的代码即可新建一个Stack类型的实例。所有的Stack类型实例都存放于Stack_Pool中，而不是由malloc分配而来的。

下面是Stack的Push入栈和Pop出栈的操作。

   1:  void  STK_Push(Stack * p_stack, void * p_data_in)

   2:  {

   3:      if(p_stack)

   4:      {

   5:          if(p_stack->entries < p_stack->size )

   6:          {

   7:              *p_stack->top = p_data_in;

   8:              p_stack->entries++;

   9:              p_stack->top++;     // void ** 's ++ operation is legal

  10:          }

  11:      }

  12:  }

13:

  14:  void  STK_Pop(Stack * p_stack, void ** pp_data_out)

  15:  {

  16:      if(p_stack)

  17:      {

  18:          if(p_stack->entries)

  19:          {

  20:              p_stack->top--;

  21:              *pp_data_out = *p_stack->top;

  22:              p_stack->entries--;

  23:          }

  24:          else

  25:          {

  26:              * pp_data_out = (void*)0;

  27:          }

  28:      }

  29:  }

其中出栈Pop的操作将会填充pp_data_out指针，因此调用该函数时需要传入一个void*类型的以及指针即可，将在第21或26行修改其中内容。

可以看到，入栈和出栈并没有出现通常Stack操作中的Memory Copy操作（C标准库中的string.h中有函数memcpy实现内存拷贝。如果不想包含string.h，比如说在嵌入式编程时，也可以自己写一个类似函数实现memcpy，以后有机会在介绍，很简单的），后面的分析会介绍这样做的优势。

当然利用函数返回值进行Pop出栈操作也是可以的，如下代码：

   1:  void * STK_Pop_Ptr(Stack * p_stack)

   2:  {

   3:      void * p_data_out;

   4:      STK_Pop(p_stack, &p_data_out);

   5:      return p_data_out;

   6:  }

最后我写了一个打印栈内容的功能函数如下：

   1:  void  STK_Print(Stack *p_stack, void (*stack_print_value)(void* p_value))

   2:  {

   3:      void * p_value;

   4:      void ** pp_top;

   5:      unsigned int cnt = 0;

   6:      if(p_stack)

   7:      {

   8:          printf("Print Stack:\n");

   9:          pp_top = p_stack->top;

  10:          pp_top--;

  11:          printf("   ------ top \n");

  12:          while(*pp_top)

  13:          {

  14:              p_value = *pp_top;

15:

  16:              (*stack_print_value)(p_value);

  17:              pp_top--;

  18:              cnt++;

  19:          }

  20:          printf("   ------ base\n");

  21:          printf("End Stack, stack size:%d\n\n",cnt);

  22:      }

  23:  }

第一个传入参数为，栈Stack指针。由于栈顶是void**二级指针，栈内容是void*一级指针，所以要打印内容一定需要使用者提供一个能打印的函数stack_print_value(),返回值为void,传入值为void*，即，在函数内解释void*的实际对象类型，不然就会在这个函数STK_Print()中直接强制转换void*为某一类型，这样改方法就不通用与任何类型了。可以看到从第12行开始的while()循环即循环调用你提供的打印函数stack_print_value(),进行打印。

【测试代码】

新建一个main.c，如下：

   1:  #include  "stdio.h"

   2:  #include  "stack.h"

3:

   4:  void  * STK_1[10];                      // Real stack is a pointer array,  of type void*

   5:  int     STK_Value[5] = {1,2,3,4,5};     // Real data store place,  must not be a variable with in functions

   6:  Stack * p_stack_1;                      // Stack pointer

7:

8:

   9:  void  Stack_int_Value_Print(void * p_value);

10:

  11:  int main(void)

  12:  {

  13:      int *p_out;

  14:      p_stack_1 = STK_Create (&STK_1[0], 10);

15:

16:

  17:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[0]);        // 1

  18:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[1]);        // 2

  19:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[2]);        // 3

  20:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[3]);        // 4

  21:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[2]);        // 5

  22:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[4]);        // 6

23:

  24:      STK_Print(p_stack_1, Stack_int_Value_Print);

25:

  26:      STK_Pop  (p_stack_1, &p_out);               // 5

  27:      if(p_out) printf("pop: %d\n",*p_out);

28:

29:

  30:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[1]);        // 6

  31:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[2]);        // 7

  32:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[3]);        // 8

  33:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[4]);        // 9

  34:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[1]);        // 10

  35:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[2]);        // over

  36:      STK_Push (p_stack_1, &STK_Value[3]);        // over

37:

38:

  39:      STK_Print(p_stack_1, Stack_int_Value_Print);

40:

41:

  42:      return 1;

  43:  }

44:

  45:  /* provide a printer for type int in the stack */

  46:  void  Stack_int_Value_Print(void * p_value)

  47:  {

  48:      int *p_int;

  49:      p_int = (int*)p_value;

  50:      printf("     %d\n",*p_int);

  51:  }

可以看到，新建栈是，Stack中的void ** base实际指向一个void* 类型的数组void * STK_1[10]，这个栈的大小是10。每次入栈时传入的都是int STK_Value[5]中的成员。到第22行时栈中已经消耗了6了，24行进行第一次栈内容打印。到26行时取出一个打印，直到34行入栈满了，之后的都无法入栈。39行进行第二次栈内容打印。运行结果如下：

可以看到栈内容跟入栈顺序是一致的。

这里可以看到，栈的大小void * STK_1[10]，10个，跟实际数据存储区int STK_Value[5]，5个，实际上没有任何关系。main.c中的30到34行实际上已经入栈了重复的内容，但是实际上仅仅是造成栈中的指针指向同一快存储区而已，实际的存储区并没有重复，这就是不使用memcpy内存拷贝的结果，所以简单的一句话概括这种实现的特点是：

栈中成员均是指向数据的指针，而非存储数据自己。

这样即使入栈时传入同样的数据，也不会造成存储区的重复，仅仅是栈中有两个指针指向同一块数据区域罢了。因此，入栈和出栈的操作仅仅是对占栈中的指针void*进行赋值和取值，而并不是实际数据的memcpy内存拷贝，入栈和出栈的速度快且对于任何数据类型来说都是一样的，因为都是void*指针的赋值。试想如果使用memcpy入栈出栈，而你的数据就是一个typedef struct中成员很多的类型，比如：

typedef struct{

   int ID;

   int Flag;

   int value[20];

  //...

}Data_Type;

可能占的内存大小很大，这样一来每次入栈出栈耗时不错,还导致内存浪费,实际的数据已经存在于程序的某个地方了,而入栈时真的把数据又复制一遍入栈。另外，若入栈了相同数据，那真的栈的内存中有两个一模一样东西，费地方。

如果你说，你的数据是通讯得到的，比如串口数据，每次都有新的数据进来更新，当然需要拷贝到栈里面保存咯。那么，这种时候建个数据buffer专门存放接收到的数据，然后入栈出栈的数据内容都是针对这个buffer操作不就好了。

所以，上面的所有工作任然是想将数据结构,这里是Stack，与实际数据存储区域解耦，将Stack类型抽象出来，变得可以操作任何类型，这样不会每当有一个新的数据类型需要Stack栈来个管理时就新建一个专门针对这种类型的栈，而且栈中既包含了栈的操作又包含了栈的存储区域，导致内存和运行速度的浪费。

最后再附上完整的代码下载：

Stack_Double_Star_Array_Implement.7z

码农公寓

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