栈和队列 --- C语言实现

是个西兰花2023-07-24 17:08

本篇文章来详细介绍一下栈和队列，并且通过数组或链表来实现。

目录

1.栈

1.1栈的概念及结构

1.2栈的实现

2.队列

2.1队列的概念及结构

2.2队列的实现

3.栈和队列面试题

4.相关概念选择题

1.栈

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 ln 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。

数组实现栈：

单链表实现栈：

数组代码实现：

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* data;
	int top;
	int capacity;
}Stack;

//初始化
void StackInit(Stack* pst);
//销毁
void StackDestroy(Stack* pst);
//入栈
void StackPush(Stack* pst, STDataType x);
//出栈
void StackPop(Stack* pst);
//获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* pst);
//判空
bool StackEmpty(Stack* pst);
//获取个数
int StackSize(Stack* pst);

接口实现：

cpp 复制代码 
//初始化
void StackInit(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	pst->data = NULL;
	pst->top = 0;
	pst->capacity = 0;
}
//销毁
void StackDestroy(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->data);
	pst->data = NULL;
	pst->top = pst->capacity = 0;
}
//入栈 
void StackPush(Stack* pst, STDataType x)
{
	assert(pst);
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* ptr = (STDataType*)realloc(pst->data, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (ptr == NULL)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		pst->data = ptr;
		pst->capacity = newcapacity;
	}
	pst->data[pst->top] = x;
	pst->top++;
}
//出栈
void StackPop(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!StackEmpty(pst));

	pst->top--;
}
//获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!StackEmpty(pst));

	return pst->data[pst->top - 1];
}
//判空
bool StackEmpty(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	/*if (pst->top == 0)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}*/

	return pst->top == 0;
}
//获取个数
int StackSize(Stack* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top;
}

2.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 ln 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，数组头删效率会比较低。

链表实现队列：

入队出队示意图：

链表代码实现队列：

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>

typedef int QueDataType;
typedef struct QueueNode
{
	QueDataType data;
	struct QueueNode* next;
}QNode;

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

//初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//释放
void QueueDestroy(Queue* pq);
//入队
void QueuePush(Queue* pq, QueDataType x);
//出队
void QueuePop(Queue* pq);
//取队头
QueDataType QueueFront(Queue* pq);
//取队尾
QueDataType QueueBack(Queue* pq);
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);

接口实现：

cpp 复制代码 
//初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}
//释放
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;
}
//入队
void QueuePush(Queue* pq, QueDataType x)
{
	assert(pq);
	//创建新节点
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;
	//入队
	if (pq->phead == NULL)
	{
		assert(pq->ptail == NULL);//防止头为空时，尾不为空
		pq->ptail = pq->phead = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}
//出队
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	//1.一个节点
	//2.多个节点
	if (pq->phead->next == NULL)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}

//取队头
QueDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}
//取队尾
QueDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == NULL && pq->ptail == NULL;
}

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。如操作系统课程讲解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。

Q.rear指向的是有效数据的下一个位置，在这时我们不能知道 Q.rear = Q.front 时，是队列满还是空，所以这里有两种解决办法来判断队满，图中采用的是第二种方法。

1.定义一个size来记录元素个数

2.让队列中少存储一个元素，数组实现让**(rear+1) % MaxSize = front** ，rear 和 front 都是下标，环形链表实现让rear->next = front。

3.栈和队列面试题

1.括号匹配问题。OJ链接

2.用队列实现栈。OJ链接

3.用栈实现队列。OJ链接

4.设计循环队列。OJ链接

4.相关概念选择题

答案在最后

1.一个栈的初始状态为空。现将元素1、2、3、4、5、A、B、C、D、E依次入栈，然后再依次出栈，则元素出栈的顺序是（）。

  • A 12345ABCDE

  • B EDCBA54321

  • C ABCDE12345

  • D 54321EDCBA
    2.若进栈序列为1,2,3,4，进栈过程中可以出栈，则下列不可能的一个出栈序列是（）

  • A 1,4,3,2

  • B 2,3,4,1

  • C 3,1,4,2

  • D 3,4,2,1
    3.循环队列的存储空间为 Q(1:100)，初始状态为front=rear=100。经过一系列正常的入队与退队操作后，front=rear=99 ，则循环队列中的元素个数为（)

  • A 1

  • B 2

  • C 99

  • D 0或者100
    4.以下（）不是队列的基本运算?

  • A 从队尾插入一个新元素

  • B 从队列中删除第i个元素

  • C 判断一个队列是否为空

  • D 读取队头元素的值
    5.现有一循环队列，其队头指针为front，队尾指针为rear；循环队列长度为N。其队内有效长度为?(假设队头不存放数据)

  • A ( rear - front + N ) % N + 1

  • B ( rear - front + N ) % N

  • C ( rear - front ) % ( N +1 )

  • D ( rear - front + N ) % ( N - 1 )

答案

  1. B
  2. C
  3. D
  4. B
  5. B

本篇结束

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