数据结构:二级指针与Stack的数组实现
【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: }
.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; }
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: }
.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; }
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: }
.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; }
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: }
.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; }
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: }
.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; }
.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; }
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
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