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数据结构--栈，队列

juneyale 2022-08-30 阅读 63
数据结构c语言算法链表
加载失败

前言

        这篇文章主要是关于栈与队列，为什么一般都是将栈与队列挨着讲，因为他们两个像一对欢喜冤家一样，在争锋相对的同时也互相成就，彼此通过不同的性质又可以联系在一起。本章节主要成分部分：什么是栈和队列，栈和队列的构造，栈和队列的习题。通过基础知识完成练习，通过练习巩固知识与理解栈与队列的联系。相信这篇文章会对大家有帮助，因为计算机就是解决我们生活中的问题，栈与队列的性质也是来源于生活中，比如栈--手枪的弹夹，队列--排队。

目录

前言

栈

栈的概念及结构

 栈的实现

实现代码

队列

队列的概念及结构

 队列的实现

 实现代码

循环队列

 栈和队列面试题

括号匹配问题---链接

用队列实现栈--链接

用栈实现队列--链接

设计循环队列--链接

栈

栈的概念及结构

压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶。

动态演示

出栈：栈的删除操作叫做出栈。出数据也在栈顶。

动态演示

 栈的实现

        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。因为压栈与出栈正好满足数组的尾插与头删。数组的代价是及小的，操作相当于链表也更加简便。

动态演示

                                                                        压栈

出栈 

实现代码

Stack.h

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>

typedef int STDataType; 

//#define N 10
//typedef struct Stack
//{
//	   STDataType _a[N]; 
//	   int _top; // 栈顶
//}Stack;

// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* _a;
	int _top;       // 栈顶
	int _capacity;  // 容量 
}Stack;
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps); 
// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data); 
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps); 
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps); 
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps); 
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

Stack.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include "Stack.h"

// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);//断言传入地址是否为空
	ps->_a = NULL;
	ps->_capacity = ps->_top = 0;
}

// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	if (ps->_top == ps->_capacity)
	{
		int newCapacity = ps->_capacity == 0 ? 4 : ps->_capacity*2;//判断容量是否为空并设置增加容量数量

		STDataType* temp = (STDataType*)realloc(ps->_a, newCapacity*sizeof(STDataType));//增加容量
		if (temp == NULL)//判断地址是否开辟成功
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->_a = temp;//赋址与结构体中
		ps->_capacity = newCapacity;//更新容量
	}
	ps->_a[ps->_top] = data;//数据入栈
	ps->_top++;//栈顶++
}

// 出栈 
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));//断言栈是否为空
	--ps->_top;//栈顶--
}

// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->_a[ps->_top-1];
}

// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->_top;
}

// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->_top==0;
}

// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->_a);//清除数组地址
	ps->_a = NULL;
	ps->_top = ps->_capacity = 0;
}

Test.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include "Stack.h"


//进栈--出栈演示
void TestStack()
{
	Stack ps;
	StackInit(
	StackPush(
	StackPush(
	StackPush(
//	printf("%d ", StackTop(
	StackPop(
//	printf("%d ", StackTop(
	StackPop(

	while (!StackEmpty(&ps))
	{
		printf("%d ", StackTop(
		StackPop(
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	TestStack();

	return 0;
}

队列

队列的概念及结构

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

动态演示

 队列的实现

        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。

动态演示

 实现代码

Queue.h

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

// 链式结构：表示队列 
typedef int QDataType;
typedef struct QListNode
{
	struct QListNode* _next;
	QDataType _data;
}QNode;

// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
	QNode* _front;
	QNode* _rear;
	QDataType _size;
}Queue;
 
// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data);
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q);
// 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* q);
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q);

Queue.c

#include "Queue.h"

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);
	q->_front = q->_rear = NULL;
	q->_size = 0;
}

// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);

	QNode* cur = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (cur == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	else
	{
		cur->_data = data;
		cur->_next = NULL;
	}

	if (q->_rear == NULL)
	{
		q->_front = q->_rear = cur;
	}
	else
	{
		q->_rear->_next = cur;
		q->_rear = cur;
	}
	q->_size++;
}

// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	if (q->_front->_next==NULL)
	{
		free(q->_front);
		q->_front = q->_rear = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* cur = q->_front;
		q->_front = q->_front->_next;
		free(cur);
		cur = NULL;
	}
	q->_size--;
}
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->_front->_data;
}

// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->_rear->_data;
}

// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);
	
	return q->_size;
}

// 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* q)
{
	assert(q);

	return q->_front == NULL && q->_rear == NULL;
}

// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);
	QNode* cur = q->_front;
	while (cur)
	{
		QNode* del = cur;
		cur = cur->_next;
		free(del);
		del = NULL;
	}
	q->_front = q->_rear = NULL;
}

Test.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include "Queue.h"

void TestQueue()
{
	Queue q;
	QueueInit(
	QueuePush(
	QueuePush(
	QueuePush(
	QueuePop(
	printf("%d ", QueueFront(
//	printf("%d ", QueueBack(
	QueuePush(
	printf("%d ", QueueBack(
	QueuePush(
	printf("%d ", QueueBack(
	QueuePush(
	QueuePush( 
	QueuePush(

	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		printf("%d ", QueueFront(
		QueuePop(
	}

	QueueDestroy(
}

int main()
{
	TestQueue();

	return 0;
}

循环队列

        另外扩展了解一下，实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型 时可以就会使用循环队列。环形队列可以使用数组实现，也可以使用循环链表实现。

 

 栈和队列面试题

括号匹配问题---链接

动态演示

 

 两种特殊错误情况

实现代码

typedef char STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* _a;
	int _top;       // 栈顶
	int _capacity;  // 容量 
}Stack;
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps); 
// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data); 
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps); 
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps); 
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps); 
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);//断言传入地址是否为空
	ps->_a = NULL;
	ps->_capacity = ps->_top = 0;
}

// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	if (ps->_top == ps->_capacity)
	{
		int newCapacity = ps->_capacity == 0 ? 4 : ps->_capacity*2;//判断容量是否为空并设置增加容量数量

		STDataType* temp = (STDataType*)realloc(ps->_a, newCapacity*sizeof(STDataType));//增加容量
		if (temp == NULL)//判断地址是否开辟成功
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->_a = temp;//赋址与结构体中
		ps->_capacity = newCapacity;//更新容量
	}
	ps->_a[ps->_top] = data;//数据入栈
	ps->_top++;//栈顶++
}

// 出栈 
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));//断言栈是否为空
	--ps->_top;//栈顶--
}

// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->_a[ps->_top-1];
}

// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->_top;
}

// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->_top==0;
}

// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->_a);//清除数组地址
	ps->_a = NULL;
	ps->_top = ps->_capacity = 0;
}

bool isValid(char * s){
    Stack st;
    StackInit(
    while(*s)
    {
        if(*s=='('||*s=='{'||*s=='[')
        {
            StackPush(
        }
        else 
        {
            if(StackEmpty(&st))
            {
                 StackDestroy(
                 return false;
            }
            char tem= StackTop(
            StackPop(
            if(*s=='}' '{' || *s==')' '(' || *s==']' '[')
            {
                StackDestroy(
                return false;
            }
        }
        s++;
    }
    bool flag=StackEmpty(
    StackDestroy(
    return flag;
}

用队列实现栈--链接

动态演示

 

 实现代码

// 链式结构：表示队列 
typedef int QDataType;
typedef struct QListNode
{
	struct QListNode* _next;
	QDataType _data;
}QNode;

// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
	QNode* _front;
	QNode* _rear;
	QDataType _size;
}Queue;
 
// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data);
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q);
// 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* q);
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q);


// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);
	q->_front = q->_rear = NULL;
	q->_size = 0;
}

// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);

	QNode* cur = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (cur == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	else
	{
		cur->_data = data;
		cur->_next = NULL;
	}

	if (q->_rear == NULL)
	{
		q->_front = q->_rear = cur;
	}
	else
	{
		q->_rear->_next = cur;
		q->_rear = cur;
	}
	q->_size++;
}

// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	if (q->_front->_next==NULL)
	{
		free(q->_front);
		q->_front = q->_rear = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* cur = q->_front;
		q->_front = q->_front->_next;
		free(cur);
		cur = NULL;
	}
	q->_size--;
}
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->_front->_data;
}

// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->_rear->_data;
}

// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);
	
	return q->_size;
}

// 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* q)
{
	assert(q);

	return q->_front == NULL && q->_rear == NULL;
}

// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);
	QNode* cur = q->_front;
	while (cur)
	{
		QNode* del = cur;
		cur = cur->_next;
		free(del);
		del = NULL;
	}
	q->_front = q->_rear = NULL;
}

typedef struct {
    Queue q1;
    Queue q2;
} MyStack;

//创建队列形成的栈
MyStack* myStackCreate() {
    MyStack* obj=(MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(
    QueueInit(

    return obj;
}

//压栈
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        QueuePush(
    }
    else
    {
        QueuePush(
    }
}

//出栈 QueuePop
int myStackPop(MyStack* obj) {
    QNode* empty=
    QNode* nonempty=
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        empty=
        nonempty=
    }
    
    while(QueueSize(nonempty)>1)
    {
         QueuePush(empty,QueueFront(nonempty));
         QueuePop(nonempty);
    }
    int top=QueueFront(nonempty);
    QueuePop(nonempty);
    return top;
}

//栈顶值
int myStackTop(MyStack* obj) {
     if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
      return QueueBack(
    }
    else
    {
        return QueueBack(
    }
}
//判断栈为空
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {

    return QueueEmpty(&obj->q1)&&QueueEmpty(
}

//释放栈
void myStackFree(MyStack* obj) {
    QueueDestroy(
    QueueDestroy(
    free(obj);
    obj==NULL;
}

/**
 * Your MyStack struct will be instantiated and called as such:
 * MyStack* obj = myStackCreate();
 * myStackPush(obj, x);
 
 * int param_2 = myStackPop(obj);
 
 * int param_3 = myStackTop(obj);
 
 * bool param_4 = myStackEmpty(obj);
 
 * myStackFree(obj);
*/

用栈实现队列--链接

动态演示

  实现代码

typedef int STDataType; 

//#define N 10
//typedef struct Stack
//{
//	   STDataType _a[N]; 
//	   int _top; // 栈顶
//}Stack;

// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* _a;
	int _top;       // 栈顶
	int _capacity;  // 容量 
}Stack;
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps); 
// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data); 
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps); 
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps); 
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps); 
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);//断言传入地址是否为空
	ps->_a = NULL;
	ps->_capacity = ps->_top = 0;
}

// 入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	if (ps->_top == ps->_capacity)
	{
		int newCapacity = ps->_capacity == 0 ? 4 : ps->_capacity*2;//判断容量是否为空并设置增加容量数量

		STDataType* temp = (STDataType*)realloc(ps->_a, newCapacity*sizeof(STDataType));//增加容量
		if (temp == NULL)//判断地址是否开辟成功
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->_a = temp;//赋址与结构体中
		ps->_capacity = newCapacity;//更新容量
	}
	ps->_a[ps->_top] = data;//数据入栈
	ps->_top++;//栈顶++
}

// 出栈 
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));//断言栈是否为空
	--ps->_top;//栈顶--
}

// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->_a[ps->_top-1];
}

// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->_top;
}

// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->_top==0;
}

// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->_a);//清除数组地址
	ps->_a = NULL;
	ps->_top = ps->_capacity = 0;
}

typedef struct {
    Stack push;
    Stack pop;

} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() {
    MyQueue* obj=(MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    StackInit(
    StackInit(

    return obj;
}

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
       
        StackPush(&obj->push,x);  
}

int myQueuePop(MyQueue* obj) {
   if(StackEmpty(&obj->pop))
   {
       while(!StackEmpty(&obj->push))
     {
       StackPush(&obj->pop,StackTop(&obj->push));
       StackPop(
     }
   }
   
   STDataType tem =StackTop(
   StackPop(
   
   return tem;
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    if(StackEmpty(&obj->pop))
   {
       while(!StackEmpty(&obj->push))
     {
       StackPush(&obj->pop,StackTop(&obj->push));
       StackPop(
     }
   }
    
    return StackTop(
}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    return StackEmpty(&obj->push)&&StackEmpty(
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) {
    StackDestroy(
    StackDestroy(
    free(obj);
}

/**
 * Your MyQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyQueue* obj = myQueueCreate();
 * myQueuePush(obj, x);
 
 * int param_2 = myQueuePop(obj);
 
 * int param_3 = myQueuePeek(obj);
 
 * bool param_4 = myQueueEmpty(obj);
 
 * myQueueFree(obj);
*/

设计循环队列--链接

用数组更好还是链表

在考虑用谁更好时，有个问题已经来了，如何判断满和空

判断空只需要front==rear就为空

 判断满 有两个方法： 1.用size计数 2.增加一个空节点

这里如果用size的话我们发现实现循环还是需要加节点，那如果不加呢？

不加节点我们发现，先走的rear，如果满了rear与front就重复了到底是空还是满就不好判断。所以这里我们选择加节点。

当加了节点我们发现循环之后需要获取队列最后一个元素时，需要重新遍历或者加一个指向前面的指针

当我们决定用数组时我们需要注意什么呢？

 当rear进行循环时，rear+1会出现越界的问题，如何解决呢？

我们只需要（rear+1）%rear 即可，就可以进行循环。

动态演示

 实现代码

typedef struct {
    int *a;
    int front;
    int rear;
    int N;
} MyCircularQueue;


MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* obj=(MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    obj->a=(int*)malloc((k+1)*sizeof(int));
    obj->front=obj->rear=0;
    obj->N=k+1;
    
    return obj;
}

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front==obj->rear;
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    return (obj->rear+1)%obj->N==obj->front;
}

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if( myCircularQueueIsFull(obj))
    return false;

    obj->a[obj->rear]=value;
    obj->rear++;
    obj->rear %= obj->N;

    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    return false;

    obj->front++;

    obj->front %= obj->N;
    return true;
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->a[obj->front];
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->a[(obj->rear+obj->N-1)%obj->N];
}



void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    free(obj->a);
    free(obj);
}

/**
 * Your MyCircularQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyCircularQueue* obj = myCircularQueueCreate(k);
 * bool param_1 = myCircularQueueEnQueue(obj, value);
 
 * bool param_2 = myCircularQueueDeQueue(obj);
 
 * int param_3 = myCircularQueueFront(obj);
 
 * int param_4 = myCircularQueueRear(obj);
 
 * bool param_5 = myCircularQueueIsEmpty(obj);
 
 * bool param_6 = myCircularQueueIsFull(obj);
 
 * myCircularQueueFree(obj);
*/
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