数据结构 第3章:栈与队列

文章目录

  • 1. 栈
    • 1.1 栈的基本概念
    • 1.2 栈的基本操作
    • 1.3 栈的顺序存储实现
    • 1.4 栈的链式存储实现
  • 2. 队列
    • 2.1 队列的基本概念
    • 2.2 队列的基本操作
    • 2.3. 队列的顺序存储实现
    • 2.4 队列的链式存储实现
    • 2.5 双端队列
  • 3. 栈与队列的应用
    • 3.1 栈在括号匹配中的应用
    • 3.2 栈在表达式求值中的应用
    • 3.3 栈在递归中的应用
    • 3.4 队列的应用
  • 4. 特殊矩阵的压缩存储

1. 栈

1.1 栈的基本概念

  1. 栈是特殊的线性表:只允许在一端进行插入或删除操作,其逻辑结构与普通线性表相同。
  2. 栈顶:允许进行插入和删除的一端 (最上面的为栈顶元素)。
  3. 栈底:不允许进行插入和删除的一端 (最下面的为栈底元素)。
  4. 空栈:不含任何元素的空表。

特点:后进先出(后进栈的元素先出栈)、LIFO(Last In First Out)。
缺点:栈的大小不可变,解决方法:共享栈。

在这里插入图片描述

1.2 栈的基本操作

  1. InitStack(&S):初始化栈。构造一个空栈 S,分配内存空间。
  2. DestroyStack(&S):销毁栈。销毁并释放栈 S 所占用的内存空间。
  3. Push(&S, x):进栈。若栈 S 未满,则将 x 加入使其成为新的栈顶元素。
  4. Pop(&S, &x):出栈。若栈 S 非空,则弹出(删除)栈顶元素,并用 x 返回。
  5. GetTop(S, &x):读取栈顶元素。若栈 S 非空,则用 x 返回栈顶元素。
  6. StackEmpty(S):判空。断一个栈 S 是否为空,若 S 为空,则返回 true,否则返回 false。

1.3 栈的顺序存储实现

顺序栈的定义:

#define MaxSize 10         //定义栈中元素的最大个数
typedef struct{    ElemType data[MaxSize];       //静态数组存放栈中元素    int top;                      //栈顶元素
}SqStack;void testStack(){    SqStack S;       //声明一个顺序栈(分配空间)
}

顺序栈的初始化:

#define MaxSize 10
typedef struct{   ElemType data[MaxSize];    int top;
}SqStack;// 初始化栈
void InitStack(SqStack &S){ S.top = -1;                   //初始化栈顶指针
}// 判断栈是否为空
bool StackEmpty(SqStack S){    if(S.top == -1)        return true;    else        return false;
}

入栈出栈:

// 新元素进栈
bool Push(SqStack &S, ElemType x){    // 判断栈是否已满    if(S.top == MaxSize - 1)        return false;    S.data[++S.top] = x;    return true;
}// 出栈
bool Pop(SqStack &x, ElemType &x){    // 判断栈是否为空    if(S.top == -1)        return false;    x = S.data[S.top--];    return true;
}

读取栈顶元素:

// 读栈顶元素
bool GetTop(SqStack S, ElemType &x){        if(S.top == -1)                return false;        x = S.data[S.top];        return true; 
}

共享栈(两个栈共享同一片空间):

#define MaxSize 10         //定义栈中元素的最大个数
typedef struct{       ElemType data[MaxSize];       //静态数组存放栈中元素  int top0;                     //0号栈栈顶指针  int top1;                     //1号栈栈顶指针
}ShStack;// 初始化栈
void InitSqStack(ShStack &S){    S.top0 = -1;      S.top1 = MaxSize;   
}

1.4 栈的链式存储实现

链栈的定义:

typedef struct Linknode{        ElemType data;        //数据域    Linknode *next;       //指针域
}Linknode,*LiStack;void testStack(){   LiStack L;            //声明一个链栈
}

链栈的初始化:

typedef struct Linknode{       ElemType data;      Linknode *next;
}Linknode,*LiStack;// 初始化栈
bool InitStack(LiStack &L){    L = (Linknode *)malloc(sizeof(Linknode));   if(L == NULL)             return false;   L->next = NULL;    return true;
}// 判断栈是否为空
bool isEmpty(LiStack &L){    if(L->next == NULL)      return true;   else           return false;
}

入栈出栈:

// 新元素入栈
bool pushStack(LiStack &L,ElemType x){  Linknode *s = (Linknode *)malloc(sizeof(Linknode));  if(s == NULL)         return false;   s->data = x;     // 头插法      s->next = L->next;  L->next = s;     return true;
}// 出栈
bool popStack(LiStack &L, int &x){     // 栈空不能出栈  if(L->next == NULL)     return false;    Linknode *s = L->next;  x = s->data;       L->next = s->next;free(s);       return true;
}

2. 队列

2.1 队列的基本概念

  1. 队列是操作受限的线性表:只允许在一端进行插入 (入队),另一端进行删除 (出队)。
  2. 队头:允许删除的一端。
  3. 队尾:允许插入的一端。
  4. 空队列:不含任何元素的空表。

特点:先进先出(先入队的元素先出队)、FIFO(First In First Out)
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2.2 队列的基本操作

  1. InitQueue(&Q):初始化队列。构造一个空队列 Q。
  2. DestroyQueue(&Q):销毁队列。销毁并释放队列 Q 所占用的内存空间。
  3. EnQueue(&Q, x):入队。若队列 Q 未满,将 x 加入,使之成为新的队尾。
  4. DeQueue(&Q, &x):出队。若队列 Q 非空,删除队头元素,并用 x 返回。
  5. GetHead(Q,&x):读队头元素。若队列 Q 非空,则将队头元素赋值给 x。
  6. QueueEmpty(Q):判空。若队列 Q 为空,则返回 true。

2.3. 队列的顺序存储实现

顺序队列的定义:

#define MaxSize 10;     //定义队列中元素的最大个数typedef struct{     ElemType data[MaxSize];   //用静态数组存放队列元素     int front, rear;          //队头指针和队尾指针
}SqQueue;void test{     SqQueue Q;                //声明一个队列
}

顺序队列的初始化:

#define MaxSize 10;
typedef struct{   ElemType data[MaxSize];  int front, rear;
}SqQueue;// 初始化队列
void InitQueue(SqQueue &Q){    // 初始化时,队头、队尾指针指向0   // 队尾指针指向的是即将插入数据的数组下标  // 队头指针指向的是队头元素的数组下标Q.rear = Q.front = 0;
}// 判断队列是否为空
bool QueueEmpty(SqQueue Q){     if(Q.rear == Q.front)            return true;   else          return false;
}

入队出队(循环队列):

// 新元素入队
bool EnQueue(SqQueue &Q, ElemType x){       // 如果队列已满直接返回if((Q.rear+1)%MaxSize == Q.front) 	//牺牲一个单元区分队空和队满   return false;    Q.data[Q.rear] = x;   Q.rear = (Q.rear+1)%MaxSize; return true;
}// 出队
bool DeQueue(SqQueue &Q, ElemType &x){    // 如果队列为空直接返回    if(Q.rear == Q.front)  return false;     x = Q.data[Q.front];  Q.front = (Q.front+1)%MaxSize;return true;
}

获得队头元素:

// 获取队头元素并存入x
bool GetHead(SqQueue &Q, ElemType &x){if(Q.rear == Q.front)      return false;x = Q.data[Q.front];  return true;
}

注意:循环队列不能使用Q.rear == Q.front作为判空的条件,因为当队列已满时也符合该条件,会与判空发生冲突!

  • 解决方法一:牺牲一个单元来区分队空和队满,即将(Q.rear+1)%MaxSize == Q.front作为判断队列是否已满的条件。(主流方法)
  • 解决方法二:设置 size 变量记录队列长度。
#define MaxSize 10; typedef struct{   ElemType data[MaxSize]; int front, rear;    int size;
}SqQueue;// 初始化队列
void InitQueue(SqQueue &Q){ Q.rear = Q.front = 0;   Q.size = 0;
}// 判断队列是否为空
bool QueueEmpty(SqQueue 0){     if(Q.size == 0)      return true;   else       return false;
}// 新元素入队
bool EnQueue(SqQueue &Q, ElemType x){ if(Q.size == MaxSize)    return false;Q.size++; Q.data[Q.rear] = x; Q.rear = (Q.rear+1)%MaxSize;  return true;
}// 出队
bool DeQueue(SqQueue &Q, ElemType &x){   if(Q.size == 0)        return false;Q.size--;x = Q.data[Q.front]; Q.front = (Q.front+1)%MaxSize; return true;
}
  • 解决方法三:设置 tag 变量记录队列最近的操作。(tag=0:最近进行的是删除操作;tag=1 :最近进行的是插入操作)
#define MaxSize 10;   typedef struct{    ElemType data[MaxSize]; int front, rear;        int tag;
}SqQueue;// 初始化队列
void InitQueue(SqQueue &Q){    Q.rear = Q.front = 0;   Q.tag = 0;
}// 判断队列是否为空
bool QueueEmpty(SqQueue 0){  if(Q.front == Q.rear && Q.tag == 0)   return true;   else       return false;
}// 新元素入队
bool EnQueue(SqQueue &Q, ElemType x){if(Q.rear == Q.front && tag == 1)     return false;     Q.data[Q.rear] = x; Q.rear = (Q.rear+1)%MaxSize;  Q.tag = 1;  return true;
}// 出队
bool DeQueue(SqQueue &Q, ElemType &x){if(Q.rear == Q.front && tag == 0)  return false;   x = Q.data[Q.front];Q.front = (Q.front+1)%MaxSize; Q.tag = 0;     return true;
}

2.4 队列的链式存储实现

链队列的定义:

// 链式队列结点
typedef struct LinkNode{  ElemType data;    struct LinkNode *next;
}// 链式队列
typedef struct{       // 头指针和尾指针  LinkNode *front, *rear;
}LinkQueue;

链队列的初始化(带头结点):
在这里插入图片描述

typedef struct LinkNode{    ElemType data;     struct LinkNode *next;
}LinkNode;typedef struct{    LinkNode *front, *rear;
}LinkQueue;// 初始化队列
void InitQueue(LinkQueue &Q){   // 初始化时,front、rear都指向头结点 Q.front = Q.rear = (LinkNode *)malloc(sizeof(LinkNode));  Q.front -> next = NULL;
}// 判断队列是否为空
bool IsEmpty(LinkQueue Q){ if(Q.front == Q.rear)     return true;      else         return false;
}

入队出队:

// 新元素入队
void EnQueue(LinkQueue &Q, ElemType x){ LinkNode *s = (LinkNode *)malloc(sizeof(LinkNode)); s->data = x;  s->next = NULL; Q.rear->next = s;  Q.rear = s;
}// 队头元素出队
bool DeQueue(LinkQueue &Q, ElemType &x){   if(Q.front == Q.rear)         return false;    LinkNode *p = Q.front->next; x = p->data;   Q.front->next = p->next; // 如果p是最后一个结点,则将队头指针也指向NULL  if(Q.rear == p)          Q.rear = Q.front;   free(p);     return true;
}

以上是带头结点的链队列,下面是不带头结点的操作:

typedef struct LinkNode{   ElemType data;  struct LinkNode *next;
}LinkNode;typedef struct{   LinkNode *front, *rear;
}LinkQueue;// 初始化队列
void InitQueue(LinkQueue &Q){ // 不带头结点的链队列初始化,头指针和尾指针都指向NULLQ.front = NULL;   Q.rear = NULL;
}// 判断队列是否为空
bool IsEmpty(LinkQueue Q){ if(Q.front == NULL)   return true;      else             return false;
}// 新元素入队
void EnQueue(LinkQueue &Q, ElemType x){ LinkNode *s = (LinkNode *)malloc(sizeof(LinkNode));  s->data = x;   s->next = NULL; // 第一个元素入队时需要特别处理   if(Q.front == NULL){Q.front = s;    Q.rear = s; }else{Q.rear->next = s;Q.rear = s;}
}//队头元素出队
bool DeQueue(LinkQueue &Q, ElemType &x){if(Q.front == NULL)return false;LinkNode *s = Q.front;x = s->data;if(Q.front == Q.rear){Q.front = Q.rear = NULL;}else{Q.front = Q.front->next;}free(s);return true;
}

2.5 双端队列

定义:

  1. 双端队列是允许从两端插入、两端删除的线性表。
  2. 如果只使用其中一端的插入、删除操作,则等同于栈。
  3. 输入受限的双端队列:允许一端插入,两端删除的线性表。
  4. 输出受限的双端队列:允许两端插入,一端删除的线性表。
    考点:判断输出序列的合法化

例:数据元素输入序列为 1,2,3,4,判断 4! = 24 个输出序列的合法性

栈中合法的序列,双端队列中一定也合法ZS

输入受限的双端队列输出受限的双端队列
14个合法只有4213和4231不合法只有4231和4132不合法

3. 栈与队列的应用

3.1 栈在括号匹配中的应用

  1. 用栈实现括号匹配:
    • 最后出现的左括号最先被匹配 (栈的特性——LIFO)。
    • 遇到左括号就入栈。
    • 遇到右括号,就“消耗”一个左括号(出栈)。
  2. 匹配失败情况:
    • 扫描到右括号且栈空,则该右括号单身。
    • 扫描完所有括号后,栈非空,则该左括号单身。
    • 左右括号不匹配。
      在这里插入图片描述
#define MaxSize 10 
typedef struct{    char data[MaxSize];   int top;
}SqStack;void InitStack(SqStack &S);
bool StackEmpty(SqStack &S);
bool Push(SqStack &S, char x);
bool Pop(SqStack &S, char &x);// 判断长度为length的字符串str中的括号是否匹配
bool bracketCheck(char str[], int length){ SqStack S;      InitStack(S); // 遍历str    for(int i=0; i<length; i++){   // 扫描到左括号,入栈     if(str[i] == '(' || str[i] == '[' || str[i] == '{'){    Push(S, str[i]);        }else{              // 扫描到右括号且栈空直接返回   if(StackEmpty(S))      return false;       char topElem;          // 用topElem接收栈顶元素   Pop(S, topElem);          // 括号不匹配           if(str[i] == ')' && topElem != '(' ) return false;           if(str[i] == ']' && topElem != '[' )  return false;   if(str[i] == '}' && topElem != '{' )   return false;              }   }  // 扫描完毕若栈空则说明字符串str中括号匹配    return StackEmpty(S);
}

3.2 栈在表达式求值中的应用

  1. 中缀表达式:中缀表达式是一种通用的算术或逻辑公式表示方法,运算符以中缀形式处于操作数的中间。对于计算机来说中缀表达式是很复杂的,因此计算表达式的值时,通常需要先将中缀表达式转换为前缀或后缀表达式,然后再进行求值。
  2. 前缀表达式(波兰表达式):前缀表达式的运算符位于两个操作数之前。
  3. 后缀表达式(逆波兰表达式):后缀表达式的运算符位于两个操作数之后。
  4. 中缀转后缀的手算方法:
    确定中缀表达式中各个运算符的运算顺序。
    选择下一个运算符,按照左操作数 右操作数 运算符的方式组合成一个新的操作数。
    如果还有运算符没被处理,就继续执行。
    1. 确定中缀表达式中各个运算符的运算顺序。
    2. 选择下一个运算符,按照==「左操作数 右操作数 运算符」==的方式组合成一个新的操作数。
    3. 如果还有运算符没被处理,就继续执行。

中缀转后缀要遵循“左优先”原则:只要左边的运算符能先计算,就优先计算左边的。

  1. 后缀表达式的手算方法: 从左往右扫描,每遇到一个运算符,就让运算符前面最近的两个操作数执行对应运算, 合体为一个操作数。
  2. 后缀表达式的机算方法:
    1. 从左往右扫描下一个元素,直到处理完所有元素。
    2. 若扫描到操作数则压入栈,并回到第一步;否则执行第三步。
    3. 若扫描到运算符,则弹出两个栈顶元素,执行相应运算,运算结果压回栈顶,回到第一步。

弹出栈顶元素时,先出栈的是“右操作数”。

在这里插入图片描述

  1. 中缀转前缀的手算方法:
    1. 确定中缀表达式中各个运算符的运算顺序。
    2. 选择下一个运算符,按照==「运算符 左操作数 右操作数」==的方式组合成一个新的操作数。
    3. 如果还有运算符没被处理,就继续执行第二步。

中缀转前缀遵循“右优先”原则:只要右边的运算符能先计算,就优先算右边的。

  1. 前缀表达式的计算方法:
    1. 从右往左扫描下一个元素,直到处理完所有元素。
    2. 若扫描到操作数则压入栈,并回到第一步;否则执行第三步。
    3. 若扫描到运算符,则弹出两个栈顶元素,执行相应运算,运算结果压回栈顶,回到第一步。
  2. 中缀转后缀的机算方法: 初始化一个栈,用于保存暂时还不能确定运算顺序的运算符。从左到右处理各个元素,直到末尾。可能遇到三种情况:
    1. 遇到操作数:直接加入后缀表达式。
    2. 遇到界限符:遇到“(”直接入栈;遇到“)”则依次弹出栈内运算符并加入后缀表达式,直到 弹出“(”为止。注意:“(”不加入后缀表达式。
    3. 遇到运算符:依次弹出栈中优先级高于或等于当前运算符的所有运算符,并加入后缀表达式, 若碰到“(” 或栈空则停止。之后再把当前运算符入栈。
#define MaxSize 40 
typedef struct{     char data[MaxSize];   int top;
}SqStack;typedef struct{  char data[MaxSize];  int front,rear;
}SqQueue;void InitStack(SqStack &S);
bool StackEmpty(SqStack S);
bool Push(SqStack &S, char x);
bool Pop(SqStack &S, char &x);
void InitQueue(SqQueue &Q);
bool EnQueue(LQueue &Q, char x);
bool DeQueue(LQueue &Q, char &x);
bool QueueEmpty(SqQueue Q);// 判断元素ch是否入栈
int JudgeEnStack(SqStack &S, char ch){char tp = S.data[S->top];   // 如果ch是a~z则返回-1    if(ch >= 'a' && ch <= 'z')   return -1;    // 如果ch是+、-、*、/且栈顶元素优先级大于等于ch则返回0  else if(ch == '+' && (tp == '+' || tp == '-' || tp == '*' || tp == '/'))   return 0;     else if(ch == '-' && (tp == '+' || tp == '-' || tp == '*' || tp == '/'))   return 0;  else if(ch == '*' && (tp == '*' || tp == '/'))  return 0;    else if(ch == '/' && (tp == '*' || tp == '/'))     return 0;    // 如果ch是右括号则返回2   else if(ch == ')')      return 2;     // 其他情况ch入栈,返回1   else return 1;
}// 中缀表达式转后缀表达式
int main(int argc, char const *argv[]) {  SqStack S;     SqQueue Q;	 InitStack(S); InitQueue(Q);  char ch;	  printf("请输入表达式,以“#”结束:");  scanf("%c", &ch);   while (ch != '#'){  // 当栈为空时     if(StackEmpty(&S)){ // 如果输入的是数即a~z,直接入队 if(ch >= 'a' && ch <= 'z')               EnQueue(Q, ch);      	// 如果输入的是运算符,直接入栈    else                      Puch(S, ch);       }else{                // 当栈非空时,判断ch是否需要入栈 int n = JudgeEnStack(S, ch);     // 当输入是数字时直接入队      	if(n == -1){        	    EnQueue(Q, ch);        }else if(n == 0){       // 当输入是运算符且运算符优先级不高于栈顶元素时    while (1){         // 取栈顶元素入队    char tp;        Pop(S, tp);      EnQueue(Q, tp);         // 再次判断是否需要入栈     n = JudgeEnStack(S, ch);// 当栈头优先级低于输入运算符或者栈头为‘)’时,入栈并跳出循环  if(n != 0){           EnStack(S, ch);           break;              }                   }            }else if(n == 2){  // 当出现‘)’时 将()中间的运算符全部出栈入队   while(1){                char tp;                Pop(S, tp);             if(tp == '(')          break;        else            EnQueue(Q, tp);    }             }else{        // 当运算符优先级高于栈顶元素或出现‘(’时直接入栈     Push(S, ch);         }          }         scanf("%c", &ch);   }     // 将最后栈中剩余的运算符出栈入队 while (!StackEmpty(S)){	  char tp;            Pop(S, tp);      EnQueue(Q, tp);  }      // 输出队中元素 while (!QueueEmpety(Q)){    printf("%c ", DeQueue(Q));  }    return 0;
}
  1. 中缀表达式的机算方法: 中缀转后缀 + 后缀表达式的求值(两个算法的结合)

初始化两个栈,(操作数栈和运算符栈),若扫描到操作数,压入操作数栈;若扫描到运算符或界限符,则按照“中缀转后缀”相同的逻辑压入运算符栈(期间也会弹出运算符,每当弹出一个运算符时,就需要再弹出两个操作数栈的栈顶元素并执行相应运算, 运算结果再压回操作数栈)。

3.3 栈在递归中的应用

  1. 函数调用的特点:最后被调用的函数最先执行结束(LIFO)。

  2. 函数调用时,需要用一个“函数调用栈” 存储:

    1. 调用返回地址
    2. 实参
    3. 局部变量
  3. 递归调用时,函数调用栈可称为“递归工作栈” 。每进入一层递归,就将递归调用所需信息压入栈顶;每退出一层递归,就从栈顶弹出相应信息。

  4. 缺点: 效率低,太多层递归可能会导致栈溢出;可能包含很多重复计算。

  5. 可以自定义栈将递归算法改造成非递归算法。

3.4 队列的应用

  1. 树的层次遍历
  2. 图的广度优先遍历
  3. 操作系统中多个进程争抢着使用有限的系统资源时,先来先服务算法(First Come First Service)是是一种常用策略。

4. 特殊矩阵的压缩存储

除非题目特别说明,否则数组下标默认从0开始。

  1. 一维数组的存储:各数组元素大小相同,且物理上连续存放。设起始地址为 LOC,则数组元素 a [ i ] a[i]a[i] 的存放地址 = LOC + i * sizeof(ElemType) (0≤i<10)

  2. 二维数组的存储:

    1. M 行 N 列的二维数组 b [ M ] [ N ] 中,设起始地址为 LOC,若按行优先存储,则 b [ i ] [ j ] 的存储地址 = LOC + (iN + j) * sizeof(ElemType)
      在这里插入图片描述
      2. M行N列的二维数组 b [ M ] [ N ] 中,设起始地址为 LOC,若按列优先存储,则 b [ i ] [ j ] 的存储地址 = LOC + (j
      M + i) * sizeof(ElemType) 在这里插入图片描述
  3. 对称矩阵的压缩存储

  4. 三角矩阵的压缩存储
    1. 下三角矩阵:处理主对角线和下三角区,其余元素都相同
    2. 上三角矩阵:处理主对角线和上三角区,其余元素都相同
    3. 压缩存储策略:按行优先原则将主对角线+下三角区存入一维数组中,并在最后一个位置存储常量。

  5. 三对角矩阵的压缩存储: 三对角矩阵,又称带状矩阵

  6. 稀疏矩阵的压缩存储: 稀疏矩阵的非零元素远远少于矩阵元素的个数。压缩存储策略:

  • 顺序存储:三元组 <行,列,值>
  • 链式存储:十字链表法

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