数据结构--栈与队列

目录

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前言

1.栈

1.1栈的概念及结构

 1.2接口函数

 1.3函数实现

1.4如何使用

2.队列 

2.1队列的概念及结构

2.2接口函数

 2.3函数实现

2.4如何使用

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前言

        前面我们已经学习了顺序表和链表，今天我们来学习栈与队列，这两种结构也属于线性表，实际上就是顺序表和链表结构的延展。

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1.栈

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1.1栈的概念及结构

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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 1.2接口函数

        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。

#include
#include
#include
#include

// 下面是定长的静态栈的结构，实际中一般不实用，所以我们主要实现下面的支持动态增长的栈
typedef int STDataType;

// 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);

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 1.3函数实现

1.单个节点成员介绍

typedef struct Stack
{
	STDataType* _a;
	int _top; // 栈顶
	int _capacity; // 容量
}Stack;

        在这里我们使用顺序表来实现栈结构，当然使用单链表，双向链表也可以。我们可以看到有成员top，它是用来指向栈顶元素的，当然也可以指向栈顶元素的下一个，这取决于你的实现逻辑。这里的顺序表，显然也是动态的。

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2.初始化栈

void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->_a = NULL;
	ps->_capacity = NULL;
	ps->_top = 0;

}

        关于top的初始化值的问题。

 这里可以将top初识化为0，当然也可以将top初始化为-1。这两种逻辑有何不同呢？

        1.将top初识化为0，假如在top位置插入一个数据，那么top就要向后移动一位。如果top不像后移动一位，那么就区分不了0位置是有数据还是没有数据了。所以top==0时，top表示的是指向栈顶元素的后一位。        

        2.将top初识化为-1，假如在top位置插入一个数据当然也是要向后面移动一位 。所以当top==-1时，top表示的时指向栈顶元素。

        在这里我是将top初始化为0了。

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3.入栈

void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	if (ps->_top == ps->_capacity)
	{
		int newcapacity = ps->_capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->_capacity;
		Stack* tmp = (Stack*)realloc(ps->_a, sizeof(Stack) * newcapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc");
			return;
		}
		ps->_a = tmp;
		ps->_capacity = newcapacity;
	}
	
	ps->_a[ps->_top] = data;
	ps->_top++;
}

        要实现入栈操作是十分简单的，首先要创建一个新的节点，在这扩容操作没必要单独封装，因为只有入栈操作时才用的到。不要忘记断言。

        插入操作是十分简单的，只需要在top位置插入，再让top指针向后移动就好了。

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4.出栈

void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->_top > 0);
	ps->_top--;
}

        出栈操作也是十分简单，只需要让top向前移动一位就好了。

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5.返回栈顶元素

STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->_top > 0);
	return ps->_a[ps->_top - 1];
}

        进行栈顶元素返回操作的时候，需要注意的是，要将top-1，因为top是指向栈顶元素的下一个位置。

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6.获取栈中有效元素个数

int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->_top;
}

        直接返回top的值就好了，在此逻辑种top值就是元素的个数。

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7.检测栈是否为空

bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->_top == 0;//等于0为真，否则假
}

        在此逻辑下，top值为空就代表栈为空，所以只需要判断top是否为0就好了，真则返回true，假则返回false。

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8.销毁栈

void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->_a);
	ps->_capacity = 0;
	ps->_top = 0;
}

        因为是用顺序表实现栈的，所以直接free掉malloc出来的空间就好了。

完！！！

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1.4如何使用

 

int main()
{
	Stack s;
	StackInit(&s);
	StackPush(&s, 1);
	StackPush(&s, 2);

	StackPush(&s, 3);
	
	printf("栈内又%d个数据\n", StackSize(&s));
	while (!StackEmpty(&s))
	{
		printf("%d\n", StackTop(&s));
		StackPop(&s);
	}
	printf("\n");
	StackDestroy(&s);
	return 0;
}

        我们要获取栈内元素时，可以利用循环操作，直到栈内数据为空，要注意的是，每获取一次栈顶元素时，要进行出栈操作，才能取到下一个数据。

        值得一提的是：如果入栈时，在数据没有全部入栈时，突然出栈一个数据，然后在进行入栈，最后数据的顺序会被打乱。

int main()
{
	Stack s;
	StackInit(&s);
	StackPush(&s, 1);
	StackPush(&s, 2);
	printf("%d\n", StackTop(&s));
	StackPop(&s);
	StackPush(&s, 3);
	
	printf("栈内又%d个数据\n", StackSize(&s));
	while (!StackEmpty(&s))
	{
		printf("%d\n", StackTop(&s));
		StackPop(&s);
	}
	printf("\n");
	StackDestroy(&s);
	return 0;
}

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2.队列 

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2.1队列的概念及结构

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

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2.2接口函数

        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。

#include
#include
#include
#include
// 链式结构：表示队列
typedef int QDataType;
typedef struct QListNode
{
	struct QListNode* _pNext;
	QDataType _data;
}QNode;
// 队列的结构
typedef struct Queue
{
	QNode* _front;
	QNode* _rear;
	int 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);

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 2.3函数实现

1.单个节点成员介绍

typedef struct QListNode
{
	struct QListNode* _pNext;
	QDataType _data;
}QNode;
// 队列的结构
typedef struct Queue
{
	QNode* _front;
	QNode* _rear;
	int size;
}Queue;

        

        实现队列我们使用头尾两个指针是最优的，但为什么，不在实现函数内直接定义，而直接在结构体内封装头和尾呢？这样做可以避免二级指针发的使用。如果队列为空，第一次进行入队操作时，就涉及到要改变结构体指针的操作，这时我们就要用到结构体指针的指针，也就是二级指针。但如果，像这样封装一下，就起到了哨兵位的作用就不用传二级指针了。

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2.初始化队列

void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);
	q->_front=q->_rear = NULL;
	
	q->size = 0;
}

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3.队尾入队列

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	newnode->_data = data;
	newnode->_pNext = NULL;
	if (q->_rear == NULL)
	{
		q->_front = q->_rear = newnode;

	}
	else
	{
		q->_rear->_pNext = newnode;
		q->_rear = newnode;
	}
	q->size++;
}

        入队列操是十分简单的，只需要利用队尾指针添加新节点就好了。

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4.队头出队列

void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(q->_front);
	QNode* cur = q->_front;
	q->_front = q->_front->_pNext;
	free(cur);
	cur = NULL;
	if (q->_front == NULL)
		q->_rear = NULL;
		
	q->size--;
}

        在进行出队操作时，注意保存队头的下一个节点，然后free出队。要注意的是，队列数据为空，就不能进行出队操作了，可以进行断言assert(q->_front)防止。当只剩一个节点的时候，头尾指针指向一个节点，这是就要判断队头是否为空，如果为空，那也要将尾指针置空，防止野指针。

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5.获取队列头部元素

QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(q->_front);
	return q->_front->_data;
	
}

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6.获取队列尾部元素

QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(q->_rear);
	return q->_rear->_data;
}

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7.获取队列中有效元素个数

int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->size;
}

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8.检查队列是否为空

bool QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->_front == NULL;
}

        这里只需要检查对头是否为空就好了。

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9.销毁队列

void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);
	QNode* cur = q->_front;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->_pNext;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	q->_front = q->_rear = NULL;
	q->size = 0;
}

        这里我们依然是保存后一个，销毁当前节点，所有节点都销毁后，将头尾指针置空。

完！！！

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2.4如何使用

int main()
{
	Queue s;
	QueueInit(&s);
	QueuePush(&s, 1);
	QueuePush(&s, 2);
	QueuePush(&s, 3);
	QueuePush(&s, 4);
	QueuePush(&s, 5);
	printf("%d个元素\n", QueueSize(&s));
	
	while (!QueueEmpty(&s))
	{
		printf("%d ", QueueFront(&s));
		QueuePop(&s);
	}
	QueueDestroy(&s);
	
	return 0;
}

        这里我们也是利用循环，将所有数据获取，获取一个数据，出一个数据。

值得一提的是：如果入队时，在数据没有全部入栈时，突然出队一个数据，然后在进行入栈，最后数据的顺序也不会被打乱。

int main()
{
	Queue s;
	QueueInit(&s);
	QueuePush(&s, 1);
	QueuePush(&s, 2);
	QueuePush(&s, 3);
	QueuePush(&s, 4);
	printf("%d\n", QueueFront(&s));
	QueuePop(&s);
	QueuePush(&s, 5);
	printf("%d个元素\n", QueueSize(&s));
	
	while (!QueueEmpty(&s))
	{
		printf("%d ", QueueFront(&s));
		QueuePop(&s);
	}
	QueueDestroy(&s);
	
	return 0;
}

希望这篇文章对你有帮助！！！