【数据结构】栈和队列

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前言

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栈和队列是一种非常常用的数据结构，在后面的学习，会经常用到栈和队列，所以本章将重点来讲一下这两种数据结构。

 
 

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

 

1.2 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。因为数组在尾上插入数据的代价比较小。

顺序栈：

链式栈：

我用数组的形式来写一套顺序栈的接口函数，我在这里直接将代码写出来，如果需要使用大家可以直接拿去当头文件使用：

// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType; // 这里需要什么类型可以自己修改
typedef struct Stack 
{
	STDataType* a;
	int top;		// 栈顶
	int capacity;  // 容量 
}Stack;

// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;  //栈顶的下一位
	ps->capacity = 0;
}

// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	//空间不够,扩容
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;
		STDataType* ptr = (STDataType*)realloc(ps->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);
		if (ptr == NULL)
		{
			printf("%d\n", __LINE__);
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->capacity = newcapacity;
		ps->a = ptr;
	}


	ps->a[ps->top] = data;
	ps->top++;

}

// 出栈 
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top >= 0);
	--ps->top;
}

// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(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);
	//free(ps) // 不能直接free(ps),因为ps不一定是堆上的
	ps->capacity = 0;
	ps->top = 0;
}

 
 

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

 

2.2 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。

我用链表的形式来写一套链式队列的接口函数，我在这里直接将代码写出来，如果需要使用大家可以直接拿去当头文件使用：

// 链式结构：表示队列 
typedef struct QListNode
{
	struct QListNode* next;
	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)
{
	assert(q);
	q->rear = q->front = NULL;
	q->size = 0;
}

// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);
	QNode* point = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (!point)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	point->data = data;
	point->next = NULL;
	if (q->front == NULL)
	{
		q->front = q->rear = point;
	}
	else
	{
		q->rear->next = point;
		q->rear = q->rear->next;
	}
	++q->size;

}

// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));//代表队列不为空
	if (q->front->next == NULL)//如果只有一个节点就要顾好尾指针
	{
		free(q->front);
		q->front = q->rear = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = q->front->next;
		free(q->front);
		q->front = next;
	}
	
	--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
bool QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->size == 0;
}

// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);
	QNode* cur = q->front;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	q->front = q->rear = NULL;
	q->size = 0;
}

 

2.3 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。如操作系统中，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。但是这里使用数组实现会更加方便

还有一些细节，我写在代码的注释里，大家可以看看：

typedef int QDatatype;

typedef struct {
    QDatatype* a;
    int front;
    int tail;
    int k; 记录该环形队列总共有多大的空间
} MyCircularQueue;

// 初始化循环队列
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* ret = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    ret->a = (QDatatype*)malloc(sizeof(QDatatype) * (k + 1));
    ret->front = ret->tail = 0;
    ret->k = k;
    return ret;
}

// 判断循环队列是否为空
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front == obj->tail;
}

// 判断循环队列是否已满
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    return (obj->tail + 1) % (obj->k + 1) == obj->front;
}

// 在循环队列中插入数据
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
        return false;
    obj->a[obj->tail] = value;

    obj->tail = (obj->tail + 1) % (obj->k + 1);

    return true;
}

// 在循环队列中删除数据
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return false;
    // 注意控制头的位置,不能越界
    obj->front = (obj->front + 1) % (obj->k + 1);

    return true;
}

// 获取队列的首元素
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    return obj->a[obj->front];
}

// 获取队列的尾元素
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;

    return obj->a[(obj->tail - 1 + obj->k + 1) % (obj->k + 1)];
    //这里会有一种特殊情况:tail在下标为0的位置,所以要将这种情况处理干净
}

// 销毁循环队列
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    free(obj->a);
    free(obj);
}