数据结构（C语言实现）——栈和队列的介绍及基本操作的实现（动态顺序栈+链队）

1. 前言

今天我们来学习另外两个线性结构——栈和队列，栈和队列是操作受限的线性表，因此，可称为限定性的数据结构。

2. 栈

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。

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。而且定长的静态栈，实际中一般不实用，所以下面我们主要实现的是支持动态增长的顺序栈。

2.1 结构定义

记录当前栈顶的位置，和当前栈的最大容量。

//静态栈
//#define N 10
//typedef int STDataType;

//typedef struct Stack
//{
//	int a[N];
//	int top;
//}ST;

//动态栈
typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;//栈顶
	int capacity;//容量
}ST;

2.2 栈的初始化和销毁

初始化：

void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}

销毁：

void StackDestory(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->capacity = 0;
	ps->top = 0;
}

2.3 入栈和出栈

入栈时首先要判断栈是否满了，还要注意是不是栈的第一个元素，然后再动态开辟内存。最后把元素存储到当前栈顶的位置，然后栈顶再++。

入栈：

void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		int newcapacity = (ps->capacity == 0) ? 4 : (2 * (ps->capacity));
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc");
			exit(-1);
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

出栈非常简单，但要注意是不是空栈，如果是空栈，则出栈失败，否则栈顶直接–即可。

出栈：

void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	ps->top--;
}

2.4 获取栈顶元素

注意判断是否为空栈

STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top - 1];
}

2.5 判断栈是否为空

栈顶当前位置为0即为栈空

bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

2.6 求栈中元素个数

栈顶当前位置就是元素个数

int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}

栈的概念和基本操作介绍完毕，下面我们来学习队列。

3. 队列

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) 的原则。
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。

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。所以我们下面主要实现的是链队。

3.1 结构定义

队列的每个结点都有一个数据域和一个指向下一个结点的指针域，并且每个队列都有一个头指针和一个尾指针。

//结点定义
typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	QDataType data;
	struct QueueNode* next;
}QNode;

//队列结构
typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
}Queue;

3.2 队列的初始化和销毁

把该队列的头指针和尾指针置空。

初始化：

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;
}

销毁时每个结点都要释放掉，最后再把头指针和尾指针置空。

销毁：

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;
}

3.3 入队和出队

入队时要动态开辟内存，然后要注意判断是不是队列的第一个元素，如果是，头指针和尾指针都指向它，如果不是，只需要改变尾指针即可。

入队：

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;
	if (pq->tail == NULL)
	{
		pq->head = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}

出队是要注意是不是空队列，如果不是还要判断是不是队列的最后一个元素，如果是，出队之后还要把头尾指针都置空，如果不是，只需要修改头指针即可。

出队：

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = NULL;
		pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
}

3.4 取队头队尾元素

这里非常简单，只要注意判断是不是空队列即可。

队头：

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

队尾：

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

3.5 判断队列是否为空

队头或队尾指针为空即队列为空。

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL;
}

3.6 求队列中元素个数

遍历队列就能求得元素个数。

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	int size = 0;
	while (cur)
	{
		cur = cur->next;
		size++;
	}
	return size;
}

队列的概念和基本操作也介绍完毕。

4. 结尾

因为我们前面学习了顺序表和链表，所以这里栈和队列的操作实现起来其实相对来说非常简单，主要是要了解栈和队列的特性，在合适的地方用合适的结构，思路才是重中之重。

最后，感谢各位大佬的耐心阅读和支持，觉得本篇文章写的不错的朋友可以三连关注支持一波，如果有什么问题或者本文有错误的地方大家可以私信我，也可以在评论区留言讨论，再次感谢各位。