栈与队列的故事

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一、栈

1.1栈的概念及结构

1.2栈的实现

1、实现支持动态增长的栈

2、初始化栈

3、入栈

4、出栈

5、获取栈顶元素

6、检测栈是否为空

7、获取栈中有效元素个数

8、销毁栈

9、测试

1.3源码

二、队列

2.1队列的概念及结构

2.2队列的实现

1、链式结构：表示队列

2、队列的结构

3、初始化队列

4、队尾入队列

5、队头出队列

6、获取队列队头元素

7、获取队列队尾元素

8、获取队列中有效元素个数

9、检测队列是否为空

10、销毁队列

11、测试

2.3源码

一、栈

1.1栈的概念及结构

栈是一种特殊的线性表，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：

  • 对于链表而言又有双向链表和单链表，如果用双向链表实现，栈顶既可以是尾，也可以是头。如果用单链表实现，栈顶只能是头，因为单链表尾插容易，尾删却比较麻烦；而头插头删都很容易。
  • 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。

1、实现支持动态增长的栈

typedef int STDataType;typedef struct stack
{STDataType* arr;int top;      //栈顶int capacity; //容量
}ST;

2、初始化栈

因为这个结构体肯定不可能为空，所以我们直接先断言它。然后，这里还有一个要特别注意的点，如果我们初始化时top给0，那top指向的就是栈顶元素的下一个位置；如果top给-1，那top就指向栈顶元素。

void STInit(ST* pst)
{assert(pst);pst->arr = NULL;pst->capacity = 0;//表示top指向栈顶元素的下一个位置pst->top = 0;表示top指向栈顶元素//pst->top = -1;
}

3、入栈

入栈时如果空间不够，先扩容；因为top此时是指向栈顶元素的下一个位置，所以我们直接将要入栈的元素x放在top位置，然后让top指向下一个位置就行。

void STPush(ST* pst, STDataType x)
{assert(pst);//扩容if (pst->top == pst->capacity){int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->arr, sizeof(STDataType) * newcapacity);if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}pst->arr = tmp;pst->capacity = newcapacity;}pst->arr[pst->top] = x;pst->top++;//如果top初始化时为-1，入栈时就要top先++，再将元素放进去//pst->top++;//pst->arr[pst->top] = x;
}

4、出栈

在出栈时要注意如果top为0就不能在删除了，所以要断言一下。

void STPop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);pst->top--;
}

5、获取栈顶元素

因为top是指向栈顶元素的下一个位置，所以要获取栈顶元素只需要top-1就行。

STDataType STTop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);return pst->arr[pst->top - 1];
}

6、检测栈是否为空

如果栈为空，那top就等于0，表达式的结果就为真；如果表达式的结果为假，就代表栈不为空。

bool STEmpty(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top == 0;
}

7、获取栈中有效元素个数

int STSize(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top;
}

8、销毁栈

void STDestroy(ST* pst)
{assert(pst);free(pst->arr);pst->arr = NULL;pst->top = pst->capacity = 0;
}

9、测试

int main()
{ST s;STInit(&s);STPush(&s, 1);STPush(&s, 2);STPush(&s, 3);STPush(&s, 4);STPush(&s, 5);while (!STEmpty(&s)){printf("%d ", STTop(&s));STPop(&s);}printf("\n");STDestroy(&s);return 0;
}

1.3源码

🌻Stack.h

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>typedef int STDataType;typedef struct stack
{STDataType* arr;int top;      //栈顶int capacity; //容量
}ST;//初始化
void STInit(ST* pst);
//销毁栈
void STDestroy(ST* pst);
//入栈
void STPush(ST* pst, STDataType x);
//出栈
void STPop(ST* pst);
//获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* pst);
//检测栈是否为空，如果为空，返回真；如果不为空，返回假
bool STEmpty(ST* pst);
//获取栈中有效元素个数
int STSize(ST* pst);

🌻Stack.c

#include "stack.h"//初始化
void STInit(ST* pst)
{assert(pst);pst->arr = NULL;pst->capacity = 0;//表示top指向栈顶元素的下一个位置pst->top = 0;//表示top指向栈顶元素//pst->top = -1;
}//销毁栈
void STDestroy(ST* pst)
{assert(pst);free(pst->arr);pst->arr = NULL;pst->top = pst->capacity = 0;
}//入栈
void STPush(ST* pst, STDataType x)
{assert(pst);//扩容if (pst->top == pst->capacity){int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->arr, sizeof(STDataType) * newcapacity);if (tmp == NULL){perror("realloc fail");return;}pst->arr = tmp;pst->capacity = newcapacity;}//如果top初始化时为0，入栈时就要先将元素放进去，再将top++pst->arr[pst->top] = x;pst->top++;//如果top初始化时为-1，入栈时就要top先++，再将元素放进去//pst->top++;//pst->arr[pst->top] = x;
}//出栈
void STPop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);pst->top--;
}//获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);return pst->arr[pst->top - 1];
}//检测栈是否为空，如果为空，返回真；如果不为空，返回假
bool STEmpty(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top == 0;
}//获取栈中有效元素个数
int STSize(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top;
}

二、队列

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)的特点。

  • 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，但使用链表的结构实现会更优一些，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。

1、链式结构：表示队列

typedef int QDataType;//链式结构：表示队列
typedef struct QueueNode
{QDataType val;struct QueueNode* next;
}QNode;

2、队列的结构

因为队列需要队头和队尾两个指针，所以为了方便管理，我们可以把它俩放在一个结构体里边。

typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;

3、初始化队列

void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}

4、队尾入队列

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");return;}newnode->val = x;newnode->next = NULL;if (pq->ptail == NULL){pq->ptail = pq->phead = newnode;}else{pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}pq->size++;
}

5、队头出队列

出队时得考虑两种情况，一种是队列为空，另一种是队列中只有一个节点；如果队列为空，我们只需断言一下就行。如果队列中只有一个节点，我们先保存当前节点，然后让头指针指向下一个节点，接着free掉保存的节点，这时如果头指针是指向空的，我们就把尾指针也置空。

void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);//空assert(pq->phead);QNode* del = pq->phead;pq->phead = pq->phead->next;free(del);del = NULL;if (pq->phead == NULL){pq->ptail = NULL;}pq->size--;
}

6、获取队列队头元素

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);//空assert(pq->phead);return pq->phead->val;
}

7、获取队列队尾元素

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);//空assert(pq->ptail);return pq->ptail->val;
}

8、获取队列中有效元素个数

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

9、检测队列是否为空

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

10、销毁队列

void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}

11、测试

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

2.3源码

🌻Queue.h

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>typedef int QDataType;//链式结构：表示队列
typedef struct QueueNode
{QDataType val;struct QueueNode* next;
}QNode;//队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);
//队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//队头出队列
void QueuePop(Queue* pq);
//获取队列队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq);
//获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);
//检测队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);

🌻Queue.c

#include "queue.h"//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}//队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");return;}newnode->val = x;newnode->next = NULL;if (pq->ptail == NULL){pq->ptail = pq->phead = newnode;}else{pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}pq->size++;
}//队头出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);//空assert(pq->phead);QNode* del = pq->phead;pq->phead = pq->phead->next;free(del);del = NULL;if (pq->phead == NULL){pq->ptail = NULL;}pq->size--;
}//获取队列队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);//空assert(pq->phead);return pq->phead->val;
}//获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);//空assert(pq->ptail);return pq->ptail->val;
}//获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}//检测队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->phead == NULL;
}//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}

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