【数据结构】栈和队列超详解！(Stack Queue)

文章目录

  • 前言
  • 一、栈
    • 1、栈的基本概念
    • 2、栈的实现（数组实现）
    • 3、栈的基本操作
      • 3.1 栈的结构设计
      • 3.2 栈常见的基本函数接口
    • 4、栈的实现
      • 4.1 初始化栈
      • 4.2 栈的销毁
      • 4.3 入栈
      • 4.4 出栈
      • 4.5 判空
      • 4.6 长度
      • 4.7 获取栈顶元素
  • 完整代码
      • Stack.h
      • Stack.c
      • Test.c
  • 二、队列
    • 1、队列的结构及概念
    • 2、队列的实现（单链表实现）
      • 1、队列的链式结构设计
      • 2、常用的功能接口
        • 2.1、初始化队列
        • 2.2、销毁队列
        • 2.3、入队列
        • 2.4、出队列
        • 2.5、获取队列头部元素
        • 2.6、获取队列尾部元素
        • 2.7、判空
        • 2.8、获取有效元素个数
    • 完整代码
      • Queue.h
      • Queue.c
      • Test.c

前言

在这里插入图片描述

一、栈

1、栈的基本概念

栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则
压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶。
出栈：栈的删除操作叫做出栈。出数据也在栈顶

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2、栈的实现（数组实现）

栈的实现一般可以使用数组或者链表实现，相对而言数组的结构实现更优一些。因为数组在尾上插入数据的代价比较小
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3、栈的基本操作

压栈：栈的插入操作，也叫进栈/入栈/压栈，在栈顶进行数据操作。
出栈：栈的删除操作，也是在栈顶进行数据删除的。

3.1 栈的结构设计

typedef int STDataType;//方便修改类型
typedef struct Stack
{STDataType* a;int top;int capacity;
}ST;

3.2 栈常见的基本函数接口

//初始化
void STInit(ST* pst);
//销毁栈
void STDestroy(ST* pst);
//入栈
void STPush(ST* pst, STDataType x);
//出栈
void STPop(ST* pst);
//判空
bool STEmpty(ST* pst);
//长度
int STSize(ST* pst);
//栈顶
STDataType STTop(ST* pst);

4、栈的实现

4.1 初始化栈

//初始化
void STInit(ST* pst)
{assert(pst);pst->a = NULL;pst->top = 0;//指向栈顶下一个元素,若等于-1则指向栈顶元素，两种任选pst->capacity = 0;
}

4.2 栈的销毁

//销毁栈
void STDestroy(ST* pst)
{assert(pst);tree(pst->a);pst->a = NULL;pst->top = 0;pst->capacity = 0;
}

4.3 入栈

在这里插入图片描述
代码：

void STPush(ST* pst, STDataType x)
{assert(pst);//判断栈是否已满，满了就扩容if (pst->top == pst->capacity){//使用三目运算符进行第一次开辟空间和后续扩容空间int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);//判断realloc是否开辟成功if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}//赋新值pst->a = tmp;pst->capacity = newcapacity;}//插入pst->a[pst->top] = x;pst->top++;
}

4.4 出栈

在这里插入图片描述
代码：

//出栈
void STPop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);pst->top--;
}

4.5 判空

//判空
bool STEmpty(ST* pst)
{assert(pst);  //返回值为0为假，非零为真return pst->top == 0;
}

4.6 长度

//长度
int STSize(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top;
}

4.7 获取栈顶元素

注意：若栈顶指针初始化为pst->top = 0，即栈顶指针指向栈顶元素的下一个位置，则入栈操作变为pst->a[pst->top++]，出栈操作为pst->a[- -pst->top]。因为栈顶指针若初始化为 0 时，则栈顶指针始终指向顺序栈将要入栈的位置，也就是栈顶指针的下标就是入栈元素的下标。

//栈顶
STDataType STTop(ST* pst)
{assert(pst);return pst->a[pst->top - 1];
}

完整代码

Stack.h

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* a;int top;int capacity;
}ST;//初始化
void STInit(ST* pst);
//销毁栈
void STDestroy(ST* pst);
//入栈
void STPush(ST* pst, STDataType x);
//出栈
void STPop(ST* pst);
//判空
bool STEmpty(ST* pst);
//长度
int STSize(ST* pst);
//栈顶
STDataType STTop(ST* pst);

Stack.c

#include"Stack.h"//初始化
void STInit(ST* pst)
{assert(pst);pst->a = NULL;pst->top = 0;//指向栈顶下一个元素pst->capacity = 0;
}
//销毁栈
void STDestroy(ST* pst)
{assert(pst);tree(pst->a);pst->a = NULL;pst->top = 0;pst->capacity = 0;
}
//入栈
void STPush(ST* pst, STDataType x)
{assert(pst);if (pst->top == pst->capacity){int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}pst->capacity = newcapacity;pst->a = tmp;}pst->a[pst->top] = x;pst->top++;	
}
//出栈
void STPop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);pst->top--;
}
//判空
bool STEmpty(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top == 0;
}
//长度
int STSize(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top;
}
//栈顶
STDataType STTop(ST* pst)
{assert(pst);return pst->a[pst->top - 1];
}

Test.c

#include"Stack.h"int main()
{ST st;//初始化STInit(&st);//插入+删除STPush(&st, 1);STPush(&st, 2);STPush(&st, 3);STPush(&st, 4);STPush(&st, 5);STPop(&st);STPop(&st);//长度STSize(&st);//栈顶STTop(&st);//销毁STDestroy(&st);return 0;
}

二、队列

1、队列的结构及概念

队列：只允许在一端进行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作的特殊线性表，队列具有先进先出FIFO(First In First Out) 入队列：进行插入操作的一端称为队尾 出队列：进行删除操作的一端称为队头
在这里插入图片描述

2、队列的实现（单链表实现）

队列也可以数组和链表的结构实现，使用链表的结构实现更优一些，因为如果使用数组的结构，出队列在数组头上出数据，效率会比较低。
在这里插入图片描述
下面话不多说，直接开始代码实现

1、队列的链式结构设计

//链式结构 表示队列
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{struct QueueNode* next;QDataType val;                                                                          
}QNode;
//队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;

2、常用的功能接口

//初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//销毁队列
void QueueDeatroy(Queue* pq);
//队尾入列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//队头出列
void QueuePop(Queue* pq);
//获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* pq);
//检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);
2.1、初始化队列

只需要将头尾指针都指向空即可，元素个数为零

//初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}
2.2、销毁队列

遍历链表，从头到尾依次删除结点，最后将头尾指针指向空，元素个数为0。

//销毁队列
void QueueDeatroy(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;}
2.3、入队列

创建新节点，若队列为空，则将头指针和尾指针都指向新创建的节点，若不为空，则尾插，因为是链式存储，所以和单链表的尾插一样，将尾指针的next指向该节点，再把该节点设为新的尾节点

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");return;}newnode->val = x;newnode->next = NULL;if (pq->ptail == NULL){pq->ptail = pq->phead = newnode;}else{pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}pq->size++;
}
2.4、出队列

注意：出列要考虑队列是空还是只有一个结点又或者有多个结点，为空则在代码第一步就报错，若只有一个结点，则直接删除该结点，并将头尾俩指针指向空，若不止一个结点，可以创建一个临时指针来记录当前头指针，然后尾指针往后遍历，再free掉创建的临时指针，并置空

void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);QNode* del = pq->phead;pq->phead = pq->phead->next;free(del);del = NULL;if (pq->phead == NULL)pq->ptail = NULL;pq->size--;
}
2.5、获取队列头部元素

断言，然后直接返回队头指针指向的节点元素

//获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);return pq->phead->val;
}
2.6、获取队列尾部元素

也是一样的，直接返回队尾指针指向的节点元素

//获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);return pq->ptail->val;
}
2.7、判空

检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0


bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->phead == NULL;
}
2.8、获取有效元素个数
//获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}

完整代码

Queue.h

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>//链式结构 表示队列
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{struct QueueNode* next;QDataType val;                                                                          
}QNode;
//队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;
//初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//销毁队列
void QueueDeatroy(Queue* pq);
//队尾入列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//队头出列
void QueuePop(Queue* pq);
//获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* pq);
//检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

Queue.c

#include"Queue.h"//初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}
//销毁队列
void QueueDeatroy(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;}
//队尾入列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}newnode->next = NULL;newnode->val = x;if (pq->ptail == NULL){pq->phead = pq->ptail = newnode;}else{//现在newnode是新的尾结点pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}pq->size++;
}
//队头出列
void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead); //保存当前节点QNode* tmp = pq->phead;//phead往下走pq->phead = pq->phead->next;free(tmp);tmp = NULL;if (pq->phead = NULL){pq->ptail = NULL;}pq->size--;
}
//获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);return pq->phead->val;
}
//获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);return pq->ptail;
}
//检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->phead == NULL;
}
//获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}

Test.c

#include"Queue.h"int main()
{Queue q;QueueInit(&q);QueuePush(&q, 1);QueuePush(&q, 2);QueuePush(&q, 3);while (!QueueEmpty(&q)){printf("%d ", QueueFront(&q));QueuePop(&q);}QueueDeatroy(&q);return 0;}

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