白骑士的C语言教学高级篇 3.2 高级数据结构

系列目录

上一篇：白骑士的C语言教学高级篇 3.1 高级指针技术

在计算机科学中，数据结构是组织和存储数据的方式，不同的数据结构适用于不同的问题和算法。本节将介绍链表、栈与队列以及树与图，这些高级数据结构在实际编程中非常常用，并且是许多复杂算法的基础。

链表

链表是一种线性数据结构，其中的元素存储在节点中，每个节点包含数据和一个指向下一个节点的指针。链表的优点是插入和删除操作非常高效，但缺点是访问元素的时间复杂度较高，因为需要从头节点开始逐个遍历。

单向链表

只有一个方向的指针，指向下一个节点，例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef struct Node {int data;struct Node *next;
} Node;void append(Node **head, int data) {Node *new_node = (Node *)malloc(sizeof(Node));new_node->data = data;new_node->next = NULL;if (*head == NULL) {*head = new_node;} else {Node *temp = *head;while (temp->next != NULL) {temp = temp->next;}temp->next = new_node;}
}void printList(Node *head) {while (head != NULL) {printf("%d -> ", head->data);head = head->next;}printf("NULL\n");
}int main() {Node *head = NULL;append(&head, 1);append(&head, 2);append(&head, 3);printList(head);return 0;
}

双向链表

具有两个方向的指针，分别指向前一个节点和后一个节点，例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef struct Node {int data;struct Node *prev;struct Node *next;
} Node;void append(Node **head, int data) {Node *new_node = (Node *)malloc(sizeof(Node));new_node->data = data;new_node->next = NULL;if (*head == NULL) {new_node->prev = NULL;*head = new_node;} else {Node *temp = *head;while (temp->next != NULL) {temp = temp->next;}temp->next = new_node;new_node->prev = temp;}
}void printList(Node *head) {while (head != NULL) {printf("%d -> ", head->data);head = head->next;}printf("NULL\n");
}int main() {Node *head = NULL;append(&head, 1);append(&head, 2);append(&head, 3);printList(head);return 0;
}

栈与队列

栈

栈（Stack）是一种后进先出（LIFO，Last In First Out）的数据结构，栈的操作主要有两个：‘push‘（入栈）和 ‘pop‘（出栈）。例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define MAX 100typedef struct Stack {int data[MAX];int top;
} Stack;void push(Stack *stack, int value) {if (stack->top < MAX - 1) {stack->data[++stack->top] = value;} else {printf("Stack overflow\n");}
}int pop(Stack *stack) {if (stack->top >= 0) {return stack->data[stack->top--];} else {printf("Stack underflow\n");return -1;}
}int main() {Stack stack;stack.top = -1;push(&stack, 1);push(&stack, 2);push(&stack, 3);printf("Popped: %d\n", pop(&stack));printf("Popped: %d\n", pop(&stack));return 0;
}

队列

队列（Queue）是一种先进先出（FIFO，First In First Out）的数据结构，队列的操作主要有两个：‘enqueue‘（入队）和 ‘dequeue‘（出队）。例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define MAX 100typedef struct Queue {int data[MAX];int front;int rear;
} Queue;void enqueue(Queue *queue, int value) {if (queue->rear < MAX - 1) {queue->data[++queue->rear] = value;if (queue->front == -1) {queue->front = 0;}} else {printf("Queue overflow\n");}
}int dequeue(Queue *queue) {if (queue->front > queue->rear || queue->front == -1) {printf("Queue underflow\n");return -1;} else {return queue->data[queue->front++];}
}int main() {Queue queue;queue.front = -1;queue.rear = -1;enqueue(&queue, 1);enqueue(&queue, 2);enqueue(&queue, 3);printf("Dequeued: %d\n", dequeue(&queue));printf("Dequeued: %d\n", dequeue(&queue));return 0;
}

树与图

树

树（Tree）是一种层次数据结构，树中的每个节点包含一个数据元素和指向子节点的指针。树的典型应用包括二叉树、二叉搜索树（BST）等。

二叉树是一种特殊的树结构，每个节点最多有两个子节点，例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef struct Node {int data;struct Node *left;struct Node *right;
} Node;Node* createNode(int data) {Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));newNode->data = data;newNode->left = NULL;newNode->right = NULL;return newNode;
}void inorderTraversal(Node *root) {if (root != NULL) {inorderTraversal(root->left);printf("%d -> ", root->data);inorderTraversal(root->right);}
}int main() {Node *root = createNode(1);root->left = createNode(2);root->right = createNode(3);root->left->left = createNode(4);root->left->right = createNode(5);printf("Inorder Traversal: ");inorderTraversal(root);printf("NULL\n");return 0;
}

图

图（Graph）是一种更复杂的数据结构，由节点（顶点）和边组成。图可以是有向图或无向图，应用广泛，如社交网络、交通网络等。

邻接矩阵表示法是图的一种表示方法，例如：

#include <stdio.h>#define MAX 5void addEdge(int graph[MAX][MAX], int u, int v) {graph[u][v] = 1;graph[v][u] = 1;  // 如果是无向图
}void printGraph(int graph[MAX][MAX]) {for (int i = 0; i < MAX; i++) {for (int j = 0; j < MAX; j++) {printf("%d ", graph[i][j]);}printf("\n");}
}int main() {int graph[MAX][MAX] = {0};addEdge(graph, 0, 1);addEdge(graph, 0, 4);addEdge(graph, 1, 2);addEdge(graph, 1, 3);addEdge(graph, 1, 4);addEdge(graph, 2, 3);addEdge(graph, 3, 4);printGraph(graph);return 0;
}