【数据结构】栈和队列超详解！(Stack && Queue)

文章目录

前言一、栈1、栈的基本概念2、栈的实现（数组实现）3、栈的基本操作3.1 栈的结构设计3.2 栈常见的基本函数接口

4、栈的实现4.1 初始化栈4.2 栈的销毁4.3 入栈4.4 出栈4.5 判空4.6 长度4.7 获取栈顶元素

完整代码Stack.hStack.cTest.c

二、队列1、队列的结构及概念2、队列的实现（单链表实现）1、队列的链式结构设计2、常用的功能接口2.1、初始化队列2.2、销毁队列2.3、入队列2.4、出队列2.5、获取队列头部元素2.6、获取队列尾部元素2.7、判空2.8、获取有效元素个数

完整代码Queue.hQueue.cTest.c

前言

一、栈

1、栈的基本概念

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

2、栈的实现（数组实现）

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

3、栈的基本操作

压栈：栈的插入操作，也叫进栈/入栈/压栈，在栈顶进行数据操作。出栈：栈的删除操作，也是在栈顶进行数据删除的。

3.1 栈的结构设计

typedef int STDataType;//方便修改类型

typedef struct Stack

{

STDataType* a;

int top;

int capacity;

}ST;

3.2 栈常见的基本函数接口

//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);

//判空

bool STEmpty(ST* pst);

//长度

int STSize(ST* pst);

//栈顶

STDataType STTop(ST* pst);

4、栈的实现

4.1 初始化栈

//初始化

void STInit(ST* pst)

{

assert(pst);

pst->a = NULL;

pst->top = 0;//指向栈顶下一个元素,若等于-1则指向栈顶元素，两种任选

pst->capacity = 0;

}

4.2 栈的销毁

//销毁栈

void STDestroy(ST* pst)

{

assert(pst);

tree(pst->a);

pst->a = NULL;

pst->top = 0;

pst->capacity = 0;

}

4.3 入栈

代码：

void STPush(ST* pst, STDataType x)

{

assert(pst);

//判断栈是否已满，满了就扩容

if (pst->top == pst->capacity)

{

//使用三目运算符进行第一次开辟空间和后续扩容空间

int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;

STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);

//判断realloc是否开辟成功

if (tmp == NULL)

{

perror("realloc fail");

return;

}

//赋新值

pst->a = tmp;

pst->capacity = newcapacity;

}

//插入

pst->a[pst->top] = x;

pst->top++;

}

4.4 出栈

代码：

//出栈

void STPop(ST* pst)

{

assert(pst);

assert(pst->top > 0);

pst->top--;

}

4.5 判空

//判空

bool STEmpty(ST* pst)

{

assert(pst);

//返回值为0为假，非零为真

return pst->top == 0;

}

4.6 长度

//长度

int STSize(ST* pst)

{

assert(pst);

return pst->top;

}

4.7 获取栈顶元素

注意：若栈顶指针初始化为pst->top = 0，即栈顶指针指向栈顶元素的下一个位置，则入栈操作变为pst->a[pst->top++]，出栈操作为pst->a[- -pst->top]。因为栈顶指针若初始化为 0 时，则栈顶指针始终指向顺序栈将要入栈的位置，也就是栈顶指针的下标就是入栈元素的下标。

//栈顶

STDataType STTop(ST* pst)

{

assert(pst);

return pst->a[pst->top - 1];

}

完整代码

Stack.h

#include

typedef int STDataType;

typedef struct Stack

{

STDataType* a;

int top;

int capacity;

}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);

//判空

bool STEmpty(ST* pst);

//长度

int STSize(ST* pst);

//栈顶

STDataType STTop(ST* pst);

Stack.c

#include"Stack.h"

//初始化

void STInit(ST* pst)

{

assert(pst);

pst->a = NULL;

pst->top = 0;//指向栈顶下一个元素

pst->capacity = 0;

}

//销毁栈

void STDestroy(ST* pst)

{

assert(pst);

tree(pst->a);

pst->a = NULL;

pst->top = 0;

pst->capacity = 0;

}

//入栈

void STPush(ST* pst, STDataType x)

{

assert(pst);

if (pst->top == pst->capacity)

{

int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;

STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);

if (tmp == NULL)

{

perror("realloc fail");

return;

}

pst->capacity = newcapacity;

pst->a = tmp;

}

pst->a[pst->top] = x;

pst->top++;

}

//出栈

void STPop(ST* pst)

{

assert(pst);

assert(pst->top > 0);

pst->top--;

}

//判空

bool STEmpty(ST* pst)

{

assert(pst);

return pst->top == 0;

}

//长度

int STSize(ST* pst)

{

assert(pst);

return pst->top;

}

//栈顶

STDataType STTop(ST* pst)

{

assert(pst);

return pst->a[pst->top - 1];

}

Test.c

#include"Stack.h"

int main()

{

ST st;

//初始化

STInit(&st);

//插入+删除

STPush(&st, 1);

STPush(&st, 2);

STPush(&st, 3);

STPush(&st, 4);

STPush(&st, 5);

STPop(&st);

//长度

STSize(&st);

//栈顶

STTop(&st);

//销毁

STDestroy(&st);

return 0;

}

二、队列

1、队列的结构及概念

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、队列的实现（单链表实现）

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。下面话不多说，直接开始代码实现

1、队列的链式结构设计

//链式结构表示队列

typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode

{

struct QueueNode* next;

QDataType val;

}QNode;

//队列的结构

typedef struct Queue

{

QNode* phead;

QNode* ptail;

int size;

}Queue;

2、常用的功能接口

//初始化

void QueueInit(Queue* pq);

//销毁队列

void QueueDeatroy(Queue* pq);

//队尾入列

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//队头出列

void QueuePop(Queue* pq);

//获取队列头部元素

QDataType QueueFront(Queue* pq);

//获取队列尾部元素

QDataType QueueBack(Queue* pq);

//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* pq);

//获取队列中有效元素个数

int QueueSize(Queue* pq);

2.1、初始化队列

只需要将头尾指针都指向空即可，元素个数为零

//初始化

void QueueInit(Queue* pq)

{

assert(pq);

pq->phead = NULL;

pq->ptail = NULL;

pq->size = 0;

}

2.2、销毁队列

遍历链表，从头到尾依次删除结点，最后将头尾指针指向空，元素个数为0。

//销毁队列

void QueueDeatroy(Queue* pq)

{

assert(pq);

QNode* cur = pq->phead;

while (cur)

{

QNode* next = cur->next;

free(cur);

cur = next;

}

pq->phead = NULL;

pq->ptail = NULL;

pq->size = 0;

}

2.3、入队列

创建新节点，若队列为空，则将头指针和尾指针都指向新创建的节点，若不为空，则尾插，因为是链式存储，所以和单链表的尾插一样，将尾指针的next指向该节点，再把该节点设为新的尾节点

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++;

}

2.4、出队列

注意：出列要考虑队列是空还是只有一个结点又或者有多个结点，为空则在代码第一步就报错，若只有一个结点，则直接删除该结点，并将头尾俩指针指向空，若不止一个结点，可以创建一个临时指针来记录当前头指针，然后尾指针往后遍历，再free掉创建的临时指针，并置空

void QueuePop(Queue* pq)

{

assert(pq);

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--;

}

2.5、获取队列头部元素

断言，然后直接返回队头指针指向的节点元素

//获取队列头部元素

QDataType QueueFront(Queue* pq)

{

assert(pq);

assert(pq->phead);

return pq->phead->val;

}

2.6、获取队列尾部元素

也是一样的，直接返回队尾指针指向的节点元素

//获取队列尾部元素

QDataType QueueBack(Queue* pq)

{

assert(pq);

assert(pq->phead);

return pq->ptail->val;

}

2.7、判空

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* pq)

{

assert(pq);

return pq->phead == NULL;

}

2.8、获取有效元素个数

//获取队列中有效元素个数

int QueueSize(Queue* pq)

{

assert(pq);

return pq->size;

}

完整代码

Queue.h

#include

//链式结构表示队列

typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode

{

struct QueueNode* next;

QDataType val;

}QNode;

//队列的结构

typedef struct Queue

{

QNode* phead;

QNode* ptail;

int size;

}Queue;

//初始化

void QueueInit(Queue* pq);

//销毁队列

void QueueDeatroy(Queue* pq);

//队尾入列

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//队头出列

void QueuePop(Queue* pq);

//获取队列头部元素

QDataType QueueFront(Queue* pq);

//获取队列尾部元素

QDataType QueueBack(Queue* pq);

//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* pq);

//获取队列中有效元素个数

int QueueSize(Queue* pq);

Queue.c

#include"Queue.h"

//初始化

void QueueInit(Queue* pq)

{

assert(pq);

pq->phead = NULL;

pq->ptail = NULL;

pq->size = 0;

}

//销毁队列

void QueueDeatroy(Queue* pq)

{

assert(pq);

QNode* cur = pq->phead;

while (cur)

{

QNode* next = cur->next;

free(cur);

cur = next;

}

pq->phead = NULL;

pq->ptail = NULL;

pq->size = 0;

}

//队尾入列

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)

{

assert(pq);

QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));

if (newnode == NULL)

{

perror("malloc fail");

exit(-1);

}

newnode->next = NULL;

newnode->val = x;

if (pq->ptail == NULL)

{

pq->phead = pq->ptail = newnode;

}

else

{

//现在newnode是新的尾结点

pq->ptail->next = newnode;

pq->ptail = newnode;

}

pq->size++;

}

//队头出列

void QueuePop(Queue* pq)

{

assert(pq);

assert(pq->phead);

//保存当前节点

QNode* tmp = pq->phead;

//phead往下走

pq->phead = pq->phead->next;

free(tmp);

tmp = NULL;

if (pq->phead = NULL)

{

pq->ptail = NULL;

}

pq->size--;

}

//获取队列头部元素

QDataType QueueFront(Queue* pq)

{

assert(pq);

assert(pq->phead);

return pq->phead->val;

}

//获取队列尾部元素

QDataType QueueBack(Queue* pq)

{

assert(pq);

assert(pq->phead);

return pq->ptail;

}

//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* pq)

{

assert(pq);

return pq->phead == NULL;

}

//获取队列中有效元素个数

int QueueSize(Queue* pq)

{

assert(pq);

return pq->size;

}

Test.c

#include"Queue.h"

int main()

{

Queue q;

QueueInit(&q);

QueuePush(&q, 1);

QueuePush(&q, 2);

QueuePush(&q, 3);

while (!QueueEmpty(&q))

{

printf("%d ", QueueFront(&q));

QueuePop(&q);

}

QueueDeatroy(&q);

return 0;

}

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