s4栈学习和链栈的实现

一、核心知识点回顾

1. 栈（Stack）的特性栈是一种后进先出（LIFO, Last In First Out） 的线性数据结构，仅允许在一端（栈顶）进行插入（push）和删除（pop）操作，常用操作包括：

   • push：在栈顶插入元素
   • pop：移除栈顶元素
   • getTop：获取栈顶元素（不删除）
   • isEmpty：判断栈是否为空
   • getSize：获取栈中元素数量

2. 链表实现栈的优势栈的实现通常有两种方式：数组和链表。本代码采用链表实现，优势在于：

   • 动态扩容：无需预先指定大小，元素数量可灵活增长
   • 内存高效：仅占用实际存储元素所需的内存，无数组的 “预分配冗余”
   • 操作便捷：栈顶插入 / 删除元素的时间复杂度为O(1)

3. 模板类（Template）代码使用template <class T>定义模板类，使ListStack能存储任意数据类型（如int、string等），实现了代码的复用性和泛型编程思想。

二、代码逐部分讲解

1. 栈节点结构（StackNode）

template <class T>
struct StackNode {T value;          // 存储节点的值StackNode *next;  // 指向后继节点（栈底方向的节点）// 构造函数：初始化值和指针（默认值为T的默认构造，指针为nullptr）StackNode(const T &val = T(), StackNode*n = nullptr) : value(val), next(n) {}
};

• 每个节点包含两部分：value（存储数据）和next（指向栈的下一个元素，即更靠近栈底的元素）
• 构造函数支持自定义初始化，简化新节点的创建

2. 栈类（ListStack）的核心成员

template <typename T>
class ListStack {int size;               // 栈中元素的数量StackNode<T> *top;      // 指向栈顶节点的指针（栈的入口）
public:// 构造函数：初始化栈为空（size=0，top=nullptr）ListStack() : size(0), top(nullptr) {}// ... 成员函数 ...
};

• size：记录元素数量，避免每次需要遍历链表计数（O(1)获取大小）
• top：栈顶指针，所有插入 / 删除操作都围绕top进行

3. 核心操作实现

（1）入栈（push）

void push(const T& val) {// 创建新节点，值为val，next指向当前栈顶（新节点成为新的栈顶）StackNode<T>* newNode = new StackNode<T>(val, top);top = newNode;  // 更新栈顶指针为新节点size++;         // 元素数量+1
}

• 流程：创建新节点 → 新节点的next指向原栈顶 → 更新top为新节点 → 增大size
• 时间复杂度：O(1)（仅需修改指针）

（2）出栈（pop）

void pop() {if (isEmpty()) {throw std::runtime_error("栈为空，无法执行出栈操作");}StackNode<T>* temp = top;  // 保存当前栈顶节点top = top->next;           // 栈顶指针后移（指向原栈顶的下一个节点）delete temp;               // 释放原栈顶节点的内存（避免内存泄漏）size--;                    // 元素数量-1
}

• 注意：出栈前必须检查栈是否为空（否则会访问nullptr，导致程序崩溃）
• 异常处理：栈空时抛出异常，避免错误操作
• 时间复杂度：O(1)

（3）获取栈顶元素（getTop）

T& getTop() {if (isEmpty()) {throw std::runtime_error("栈为空，无法获取栈顶元素");}return top->value;  // 返回栈顶节点的值（引用类型，支持修改）
}

• 同样需要检查栈是否为空，避免访问空指针
• 返回引用（T&）：允许直接修改栈顶元素的值（如intStack.getTop() = 100;）

（4）其他辅助操作

• isEmpty()：通过size == 0判断栈是否为空（O(1)）
• getSize()：直接返回size（O(1)）
• clear()：通过循环调用pop()清空所有元素（O(n)，n为元素数量）
• print()：从栈顶到栈底遍历链表，打印所有元素（O(n)）

4. 主函数（main）测试

int main() {// 测试int类型的栈ListStack<int> intStack;intStack.push(10);intStack.push(20);intStack.push(30);intStack.print();  // 栈顶->栈底：30 20 10（符合LIFO特性）// 测试string类型的栈ListStack<std::string> strStack;strStack.push("Hello");strStack.push("World");strStack.print();  // 栈顶->栈底：World Helloreturn 0;
}

• 验证了模板类的泛型能力：同一ListStack类可处理int、string等不同类型
• 输出结果符合栈的 “后进先出” 特性：最后入栈的元素在最前面打印

三、总结

1. 设计亮点

   • 采用链表实现，动态性好，无固定大小限制
   • 模板类设计实现泛型编程，支持多数据类型
   • 操作安全性高：空栈操作时抛出异常，避免崩溃
   • 内存管理完善：pop()和clear()中显式释放内存，防止泄漏

2. 可优化点

   • 可添加拷贝构造函数和赋值运算符重载，避免浅拷贝问题（默认的拷贝会导致两个栈共用同一份链表，释放时双重删除）
   • 可将print()改为迭代器遍历，更符合 STL 风格
   • 异常处理可改为返回bool值（根据场景选择异常或返回值方式）

这段代码完整实现了栈的核心功能，是链表和栈数据结构结合的典型案例，同时展示了模板编程的灵活性，适合作为数据结构入门的实践代码。

完整代码：

#include <iostream>
using namespace std;
template <class T>
struct StackNode
{T value;StackNode *next;StackNode(const T &val = T(), StackNode*n = nullptr) : value(val), next(n) {}
};
template <typename T>
class ListStack
{int size;StackNode<T> *top;public:ListStack() : size(0), top(nullptr) {}void push(const T& val)//在栈顶插入新元素{StackNode<T>* newNode = new StackNode<T>(val);newNode->next=top;top=newNode;size++;}void pop()//移除栈顶元素{if (isEmpty()) {throw std::runtime_error("栈为空，无法执行出栈操作");}// 保存当前栈顶节点StackNode<T>* temp = top;// 更新栈顶指针top = top->next;// 释放原栈顶节点的内存delete temp;// 栈大小减1size--;}T& getTop()//获取栈顶元素{if (isEmpty()) {throw std::runtime_error("栈为空，无法获取栈顶元素");}return top->value;}bool isEmpty()//判断栈是否为空{return size==0;}int getSize()//获取栈中元素个数{return size;}void clear()//清空栈中所有元素{while(!isEmpty()){pop();}}void print()//打印栈中所有元素{if (isEmpty()) {std::cout << "栈为空" << std::endl;return;}std::cout << "栈元素（栈顶->栈底）：";StackNode<T>* current = top;while (current != nullptr) {std::cout << current->value<< " ";current = current->next;}std::cout << std::endl;}
};
int main(){ListStack<int> intStack;// 入栈操作intStack.push(10);intStack.push(20);intStack.push(30);intStack.print();  // 输出：栈元素（栈顶->栈底）：30 20 10// 获取栈顶元素std::cout << "栈顶元素：" << intStack.getTop() << std::endl;  // 输出：30// 出栈操作intStack.pop();intStack.print();  // 输出：栈元素（栈顶->栈底）：20 10// 查看栈大小std::cout << "栈大小：" << intStack.getSize() << std::endl;  // 输出：2// 创建一个存储字符串的链栈ListStack<std::string> strStack;strStack.push("Hello");strStack.push("World");strStack.print();  // 输出：栈元素（栈顶->栈底）：World Helloreturn 0;
}