C++ 容器类 <stack>（最佳实践）

C++ 容器类 ：理解后进先出的“栈”结构

在 C++ 的标准模板库（STL）中，<stack> 是一个非常实用且高频使用的容器适配器。它模拟了现实生活中的“栈”——比如一叠盘子，你只能从顶部拿取或放回，不能从中间操作。这种“后进先出”（LIFO, Last In First Out）的逻辑，正是 stack 的核心设计思想。

对于初学者来说，理解 stack 的工作原理，不仅能提升代码的可读性和效率，还能在解决递归、表达式求值、括号匹配等实际问题时提供强大支持。本文将带你从基础用法到高级应用，全面掌握 C++ 容器类 <stack> 的使用技巧。

基本概念与核心特性

stack 并不是一个独立的容器，而是一个容器适配器（container adapter），它依赖底层容器（如 vector、deque 或 list）来实现其功能。默认情况下，stack 使用 deque 作为底层容器，但你可以显式指定其他容器类型。

它的主要操作只有三个：

• push()：将元素压入栈顶。
• pop()：移除栈顶元素。
• top()：访问栈顶元素，但不删除。

💡 比喻：想象你在一个狭窄的楼梯间堆叠箱子，每次只能放一个新箱子在最上面，拿箱子时也必须从最上面拿。这就是 stack 的行为。

基本语法与头文件

使用 stack 之前，必须包含头文件：

#include <stack>

定义一个栈的语法如下：

std::stack<int> myStack; // 存储整数的栈
std::stack<std::string> strStack; // 存储字符串的栈

这里的 int 和 std::string 是栈中元素的类型，你可以根据需要替换成其他类型，如 double、char 或自定义结构体。

创建数组与初始化

在实际开发中，我们常常需要在创建栈的同时初始化一些数据。C++ 提供了多种方式来完成这一操作。

使用初始化列表（C++ 11 及以上）

std::stack<int> stack1 = {10, 20, 30, 40}; // 使用初始化列表

⚠️ 注意：stack 本身不支持直接通过构造函数传入初始值列表，但可以通过 std::initializer_list 配合容器适配器实现。上述写法在大多数编译器（如 GCC、Clang）中是有效的。

通过循环压入元素

如果你需要动态构建栈，可以使用 push() 逐个插入：

std::stack<int> stack2;

// 逐个压入元素
stack2.push(1);
stack2.push(2);
stack2.push(3);
stack2.push(4);

从已有容器构造栈

你也可以将一个 vector、deque 等容器转换为 stack，但需要先创建容器，再逐个压入。

std::vector<int> data = {100, 200, 300};
std::stack<int> stack3;

// 将 vector 中的元素压入栈
for (int val : data) {
    stack3.push(val);
}

✅ 小贴士：由于 stack 是后进先出结构，data 中的最后一个元素（300）会成为栈顶，第一个元素（100）在栈底。

核心操作详解与代码示例

让我们通过几个典型场景，深入理解 stack 的核心方法。

示例 1：栈的压入与弹出

#include <iostream>
#include <stack>

int main() {
    std::stack<int> s;

    // 压入元素
    s.push(100);
    s.push(200);
    s.push(300);

    std::cout << "栈顶元素是：" << s.top() << std::endl; // 输出：300

    s.pop(); // 移除栈顶元素（300）
    std::cout << "弹出后栈顶是：" << s.top() << std::endl; // 输出：200

    return 0;
}

🔍 注释说明：

• push(100)：将整数 100 压入栈顶。
• top()：返回栈顶元素，但不删除它，用于查看。
• pop()：移除栈顶元素，不能对空栈调用 pop()，否则程序会崩溃。
• std::cout 用于输出调试信息。

示例 2：判断栈是否为空

在使用 top() 或 pop() 之前，务必检查栈是否为空，避免未定义行为。

std::stack<int> emptyStack;

if (emptyStack.empty()) {
    std::cout << "栈是空的！" << std::endl;
} else {
    std::cout << "栈非空，栈顶是：" << emptyStack.top() << std::endl;
}

✅ 建议：所有对 top() 和 pop() 的调用前，都应先调用 empty() 进行判断。

示例 3：获取栈的大小

size() 方法返回栈中当前元素的个数。

std::stack<std::string> s;
s.push("Hello");
s.push("World");
s.push("C++");

std::cout << "栈的大小是：" << s.size() << std::endl; // 输出：3

📌 用途：可用于循环遍历栈（虽然不能直接遍历，但可以配合 size() 和 pop() 实现）。

实际应用场景：括号匹配检测

这是 C++ 容器类 <stack> 最经典的使用场景之一。我们来实现一个简单的括号匹配检查器。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <string>

bool isBalanced(const std::string& expr) {
    std::stack<char> s;

    for (char c : expr) {
        // 遇到左括号，压入栈
        if (c == '(' || c == '[' || c == '{') {
            s.push(c);
        }
        // 遇到右括号，检查是否匹配
        else if (c == ')' || c == ']' || c == '}') {
            if (s.empty()) {
                return false; // 没有对应的左括号
            }

            char top = s.top();
            s.pop();

            // 判断括号是否匹配
            if ((c == ')' && top != '(') ||
                (c == ']' && top != '[') ||
                (c == '}' && top != '{')) {
                return false;
            }
        }
        // 忽略其他字符（如字母、数字等）
    }

    // 最后栈必须为空，说明所有括号都匹配
    return s.empty();
}

int main() {
    std::string test1 = "{[()]}";
    std::string test2 = "([)]";

    std::cout << "表达式 \"" << test1 << "\" 是否平衡？" 
              << (isBalanced(test1) ? "是" : "否") << std::endl;

    std::cout << "表达式 \"" << test2 << "\" 是否平衡？" 
              << (isBalanced(test2) ? "是" : "否") << std::endl;

    return 0;
}

✅ 输出结果：

• 表达式 "{[()]}" 是否平衡？是
• 表达式 "([)]" 是否平衡？否

💡 原理：左括号入栈，右括号出栈并检查匹配。若中途栈空或最终栈非空，说明不匹配。

高级用法：自定义底层容器与比较

stack 支持自定义底层容器，只需在模板参数中指定。

#include <stack>
#include <list> // 使用 list 作为底层容器

// 定义一个使用 list 的栈
std::stack<int, std::list<int>> myListStack;

// 与默认的 deque 基础栈相比，list 的插入/删除在任意位置更高效
myListStack.push(100);
myListStack.push(200);

为什么需要自定义？

• deque：默认选择，性能均衡。
• list：适合频繁在中间插入/删除，但内存开销大。
• vector：适合尾部操作，但扩容可能影响性能。

✅ 选择建议：除非有特殊性能需求，否则使用默认的 deque 即可。

常见错误与最佳实践

错误 1：对空栈调用 top() 或 pop()

std::stack<int> s;
s.pop(); // ❌ 危险！未定义行为，可能导致崩溃

✅ 正确做法：

if (!s.empty()) {
    s.pop();
}

错误 2：忘记检查栈是否为空

在循环中使用 pop() 时，必须确保栈非空。

while (!s.empty()) {
    std::cout << s.top() << " ";
    s.pop();
}

最佳实践总结：

结语

C++ 容器类 <stack> 虽然看似简单，但其背后蕴含的“后进先出”思想在算法设计中极为重要。无论是实现递归模拟、表达式求值，还是括号匹配、路径回溯，stack 都是不可或缺的工具。

掌握它的基本操作、常见陷阱和实际应用，不仅能让你写出更健壮的代码，还能为学习数据结构与算法打下坚实基础。希望这篇文章能帮助你真正理解 stack 的价值，并在项目中灵活运用。

在 C++ 的世界里，每一个小容器都可能是解决大问题的钥匙。从今天起，让 stack 成为你编程工具箱中的得力助手。