栈操作实现：栈和队列(一) 栈操作详解

四、队列

1、什么是队列

队列就像是高速公路上的一个隧道一样，所有的车辆只允许从入口驶入，从出口驶出，先进先出，不允许逆行。

队列(queue)是一种线性数据结构，队列的元素只能先入先出(First In First Out，简称FIFO)。
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、队列的基本操作

利用单链表来实现队列的基本操作

代码结构设计：

• Queue.h: 存放队列结构及需要用到的头文件，函数声明等
• Queue.c: 各种操作函数的具体实现

Queue.h

#pragma once#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>//方便修改数据类型
typedef int QDataType;// 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;//队头QNode* rear;//队尾
}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 
int 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 = NULL;q->rear = NULL;
}

队尾入队列

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{assert(q);//创建一个节点放数据QNode* newNode=(QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newNode == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}newNode->data = data;newNode->next = NULL;//判断是否是第一个入队元素if (q->rear == NULL){q->front = q->rear = newNode;}else{q->rear->next= newNode;q->rear = newNode;}
}

队头出队列

void QueuePop(Queue* q)
{assert(q);assert(!QueueEmpty(q));//判断是否只有一个元素if (q->front->next == NULL){free(q->front);q->front = q->rear = NULL;}else{QNode* del = q->front;q->front = q->front->next;free(del);}
}

获取队列头部元素

front是队头节点，它的数据便是队头元素

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

获取队列队尾元素

rear是队尾节点，它的数据便是队尾元素

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

获取队列中有效元素个数

遍历一遍链表就能得到有效元素个数，也可以直接给队列的结构里加上一个size

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

int QueueEmpty(Queue* q)
{assert(q);//队头节点为空说明队列为空return q->front == NULL;
}

销毁队列

void QueueDestroy(Queue* q)
{assert(q);QNode* cur = q->front;while (cur){QNode* curNext = cur->next;free(cur);cur = curNext;}q->front = q->rear = NULL;
}

五、设计循环队列

循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。
循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。

设计循环队列实现以下操作：

• MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。
• Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
• Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
• enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
• deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
• isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
• isFull(): 检查循环队列是否已满。

创建队列时多开辟一个空间来区分空和满
如下是一个队列长度k=4的循环队列：

用数组实现

//循环队列结构
typedef struct {int* a;int front;int rear;int k;
} MyCircularQueue;

//初始化创建
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {MyCircularQueue* obj=(MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));//多开一个空间方便区分空和满obj->a=(int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));obj->front=0;obj->rear=0;obj->k=k;return obj;
}

//判断队列是否为空
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {//当队头和队尾相等时队列为空return obj->front==obj->rear;
}

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

//入队
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
//判断满了没if(myCircularQueueIsFull(obj)){return false;}obj->a[obj->rear]=value;obj->rear++;//特殊情况(obj->rear)%=(obj->k+1);return true;
}

//出队
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {//判断队列是不是空的if(myCircularQueueIsEmpty(obj)){return false;}obj->front++;特殊情况(obj->front)%=(obj->k+1);return true;
}

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

//获取队尾元素
//rear是队尾元素下一个元素的下标，所以队尾元素的下标为rear-1
//但当rear等于0的时候队尾元素下标为k，需要特殊处理
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {if(myCircularQueueIsEmpty(obj)){return -1;}// if(obj->rear==0)// {//     return obj->a[obj->k];// }else// {//     return obj->a[obj->rear-1];// }return obj->a[((obj->rear)+(obj->k))%(obj->k+1)];
}

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

六、栈与队列的相互实现

1、用栈实现队列

实现 MyQueue 类：

• void push(int x) 将元素 x 推到队列的末尾
• int pop() 从队列的开头移除并返回元素
• int peek() 返回队列开头的元素
• boolean empty() 如果队列为空，返回 true ；否则，返回 false

思路：

用两个栈实现先入先出队列，当有元素入队时，就是在pushst入栈

当出队时，将pushst中元素依次出栈放进popst中，然后对popst进行出栈操作

代码实现：

用的是前面自己实现的栈来实现的

typedef struct {ST pushst;ST popst;
} MyQueue;MyQueue* myQueueCreate() {MyQueue* obj=(MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));STInit(&obj->pushst);STInit(&obj->popst);return obj;
}void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {STPush(&obj->pushst,x);
}int myQueuePeek(MyQueue* obj) {if(STEmpty(&obj->popst)){while(!STEmpty(&obj->pushst)){STPush(&obj->popst,STTop(&obj->pushst));STPop(&obj->pushst);}}return STTop(&obj->popst);
}int myQueuePop(MyQueue* obj) {int ret=myQueuePeek(obj);STPop(&obj->popst);return ret;
}bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {return STEmpty(&obj->pushst)&&STEmpty(&obj->popst);
}void myQueueFree(MyQueue* obj) {STDestroy(&obj->pushst);STDestroy(&obj->popst);free(obj);
}

2、用队列实现栈

实现 MyStack 类：

• void push(int x) 将元素 x 压入栈顶。
• int pop() 移除并返回栈顶元素。
• int top() 返回栈顶元素。
• boolean empty() 如果栈是空的，返回 true ；否则，返回 false 。

思路：

用两个队列q1和q2来实现一个后入先出的栈

入栈：放进不为空的那个队列

出栈：不为空队列的前n-1个出队列插入空队列，删除剩下的一个即可

代码实现：

用的是前面自己实现的队列来实现的

typedef struct {Queue q1;Queue q2;
} MyStack;MyStack* myStackCreate() {MyStack* p=(MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));QueueInit(&p->q1);QueueInit(&p->q2);return p;
}void myStackPush(MyStack* obj, int x) {if(!QueueEmpty(&obj->q1)){QueuePush(&obj->q1,x);}else{QueuePush(&obj->q2,x);}
}int myStackPop(MyStack* obj) {Queue* empty=&obj->q1;Queue* noEmpty=&obj->q2;if(!QueueEmpty(&obj->q1)){empty=&obj->q2;noEmpty=&obj->q1;}while(QueueSize(noEmpty)>1){QueuePush(empty,QueueFront(noEmpty));QueuePop(noEmpty);}int top=QueueFront(noEmpty);QueuePop(noEmpty);return top;
}int myStackTop(MyStack* obj) {if(!QueueEmpty(&obj->q1)){return QueueBack(&obj->q1);}else{return QueueBack(&obj->q2);}
}bool myStackEmpty(MyStack* obj) {return QueueEmpty(&obj->q1)&&QueueEmpty(&obj->q2);
}void myStackFree(MyStack* obj) {QueueDestroy(&obj->q1);QueueDestroy(&obj->q2);free(obj);
}