【数据结构】—手把手带你用C语言实现栈和队列（超详细！）

B1ue慕斯2023-08-07 20:19

食用指南：本文在有C基础的情况下食用更佳

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目录

🌸🌸后进先出---栈

什么是栈？

什么是后进先出？

栈的实现？

[栈实现需要设置的参数 ？](#栈实现需要设置的参数 ？)

要实现的功能？

🌸栈的C语言代码实现

🌷初始化

🌷入栈

🌷判空

🌷出栈

🌷取栈顶元素

🌷计算栈内数据个数

🌷销毁栈

🌸栈的整体代码

头文件

函数实现

测试用例

💮💮先进先出---队列

什么是队列？

什么是先进先出？

队列的实现？

队列的实现需要设置的参数？

要实现的功能？

💮队列的C语言实现

🌼初始化

🌼入队列

🌼判空

🌼出队列

🌼取头节点元素

🌼取尾节点元素

🌼计算队列内数据个数

🌼销毁队列

💮队列的整体代码

头文件

函数实现

测试用例

后进先出---栈

什么是栈？

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。

什么是后进先出？

一图让你明白~

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。但是由于数组是在定义完后对于空间是固定的，因此如果单纯用数组实现，如果申请空间过大会浪费空间，太小又会造成空间不够的问题，因此，本文采用支持动态增长的栈，也就是动态开辟空间的方法。

对此，我们先了解一下咱们栈的操作

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。

栈实现需要设置的参数 ？

由于咱们要实现的是动态扩容因此定义如下：

cpp 复制代码 
// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* _a;
	int _top;		// 栈顶
	int _capacity;  // 容量 
}Stack;

此处对于相关栈所定义的元素进行解释：

1、 STDataType* _a 作为动态扩容的作用。

2、int _top 作为记录栈顶位置的作用。

3、int _capacity 作为记录栈容量的作用。

啥意思呢？

一图让你明白~

要实现的功能？

同我们之前所学的链表、线性表一样，需要实现基本的增、删、查、改！但是需要注意的是，我们的**查与修只能在固定的一端进行！而不能进行改的操作！**对此我们写出相应的接口函数。

cpp 复制代码 
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps);
// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data);
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps);
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps);
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps);
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
int StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

栈的C语言代码实现

初始化

cpp 复制代码 
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	ps->_a = NULL;

	ps->_capacity = 0;

	ps->_top = -1;
}

++注意：解释一下为什么这里top要设置成-1，主要是因为后续的操作中，比如：判空的操作的差异、在入栈时操作的差异，当然，top也可以设置成0，但后续的操作会有所差异。++

入栈

cpp 复制代码 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	if (ps->_capacity - 1 == ps->_top)//匹配上初始化top=-1
	{
		int newcap = ps->_capacity == 0 ? MAX : ps->_capacity * 2;

		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->_a, newcap*sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}

		ps->_capacity = newcap;
		ps->_a = tmp;
	}

	ps->_a[++ps->_top] = data;
}

入栈时首先判断空间是否足够，如果不够则扩容，够则直接入栈

判空

cpp 复制代码 
int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->_top==-1;
}

出栈

cpp 复制代码 
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->_top--;
}

取栈顶元素

cpp 复制代码 
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->_top--;
}

计算栈内数据个数

cpp 复制代码 
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->_top+1;
}

销毁栈

cpp 复制代码 
void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	free(ps->_a);
	ps->_a = NULL;

}

栈的整体代码

头文件

cpp 复制代码 
#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 01
#define MAX 4
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* _a;
	int _top;		// 栈顶
	int _capacity;  // 容量 
}Stack;

// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps);
// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data);
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps);
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps);
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps);
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
int StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

函数实现

cpp 复制代码 
#include "stack.h"

void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	ps->_a = NULL;

	ps->_capacity = 0;

	ps->_top = -1;
}

void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	if (ps->_capacity - 1 == ps->_top)
	{
		int newcap = ps->_capacity == 0 ? MAX : ps->_capacity * 2;

		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->_a, newcap*sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}

		ps->_capacity = newcap;
		ps->_a = tmp;
	}

	ps->_a[++ps->_top] = data;
}

void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->_top--;
}

STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->_a[ps->_top];
}

int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->_top+1;
}

int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->_top==-1;
}

void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);

	free(ps->_a);
	ps->_a = NULL;

}

测试用例

cpp 复制代码 
#include"stack.h"

void test()
{
	Stack st;
	StackInit(&st);
	StackPush(&st, 1);
	StackPush(&st, 2);
	StackPush(&st, 3);
	StackPop(&st);
	StackPush(&st, 4);
	StackPush(&st, 5);

	printf("%d\n", StackSize(&st));
	while (!StackEmpty(&st))
	{
		printf("%d ", StackTop(&st));
		StackPop(&st);
	}
	printf("\n%d\n", StackSize(&st));
	StackDestroy(&st);
}

int main()
{
	test();
	
	return 0;
}

测试结果：

先进先出---队列

什么是队列？

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。

什么是先进先出？

相信在前面了解过后进先出的你应该有一定的概念了，一图让你明白~

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，效率会比较低。

队列的实现需要设置的参数？

根据链表的定义如下：

cpp 复制代码 
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;
	QNode* _rear;
}Queue;

注意：QNode是基本的链表结构，而在QNode的基础上建立的Queue是作为真正的队列的结构，其中 _front 是作为记录队头位置的一个指针，而相应的 _rear 是作为记录队尾位置的一个指针。

一图让你明了~

要实现的功能？

同我们之前所学的链表、线性表一样，需要实现基本的增、删、查、改！**但是需要注意的是，增的操作在一端进行，而删的操作在另外一端进行，并且同栈一样不能进行改的操作！**对此我们写出相应的接口函数。

cpp 复制代码 
// 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);

队列的C语言实现

初始化

cpp 复制代码 
void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);

	q->_front = NULL;

	q->_rear = NULL;
}

你可能有个问题？为什么需要将两个指针都置空呢？初始化指针是一方面，而最主要的是为了让两个指针在最开始都指向同一个位置 ，然后头指针（也就是front）是只有在出队时才会移动的！尾指针（也就是rear）是只有在出队时才会移动的！这也是后续判空等操作的关键。

入队列

cpp 复制代码 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	newnode->_next = NULL;
	newnode->_data = data;

	if (q->_rear == NULL)
	{
		assert(q->_front == NULL);

		q->_front = q->_rear = newnode;
	}
	else
	{
		q->_rear->_next = newnode;
		q->_rear = newnode;
	}
}

入队列时需要判断头、尾指针是否为都为空，以此来确定是在头部插入还是在尾部插入。

判空

cpp 复制代码 
int QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);

	return q->_front==NULL&&q->_rear==NULL;
}

当头指针与尾指针都为空时，即该对列为空。

出队列

cpp 复制代码 
void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(&q));

	if (q->_front == q->_rear)//一个节点
	{
		free(q->_front);
		q->_front = NULL;
		q->_rear = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = q->_front->_next;
		free(q->_front);
		q->_front = next;
	}

}

出队列需要判断为一个节点还是多个节点的问题，一个节点则需要在释放空间的基础上再将两个指针置空，剩余多个则仅需将出队节点置空。

取头节点元素

cpp 复制代码 
QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(&q));

	return q->_front->_data;
}

取尾节点元素

cpp 复制代码 
QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(&q));

	return q->_rear->_data;
}

计算队列内数据个数

cpp 复制代码 
int QueueSize(Queue* q)
{
	QNode* cur = q->_front;
	int size = 0;
	if (cur != NULL)
	{
		size++;
		while (cur != q->_rear)
		{
			size++;
			cur = cur->_next;
		}

	}	
		return size;
	
}

销毁队列

cpp 复制代码 
void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);

	QNode* cur = q->_front;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->_next;
		free(cur);

		cur = next;
	}
	q->_front = NULL;
	q->_rear = NULL;
}

队列的整体代码

头文件

cpp 复制代码 
#pragma once

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 01
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>

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;
	QNode* _rear;
}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);

函数实现

cpp 复制代码 
#include "queue.h"

void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);

	q->_front = NULL;

	q->_rear = NULL;
}

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	newnode->_next = NULL;
	newnode->_data = data;

	if (q->_rear == NULL)
	{
		assert(q->_front == NULL);

		q->_front = q->_rear = newnode;
	}
	else
	{
		q->_rear->_next = newnode;
		q->_rear = newnode;
	}
}

void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(&q));

	if (q->_front == q->_rear)//一个节点
	{
		free(q->_front);
		q->_front = NULL;
		q->_rear = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = q->_front->_next;
		free(q->_front);
		q->_front = next;
	}

}

QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(&q));

	return q->_front->_data;
}

QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(&q));

	return q->_rear->_data;
}

int QueueSize(Queue* q)
{
	QNode* cur = q->_front;
	int size = 0;
	if (cur != NULL)
	{
		size++;
		while (cur != q->_rear)
		{
			size++;
			cur = cur->_next;
		}

	}	
		return size;
	
}

int QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);

	return q->_front==NULL&&q->_rear==NULL;
}

void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);

	QNode* cur = q->_front;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->_next;
		free(cur);

		cur = next;
	}
	q->_front = NULL;
	q->_rear = NULL;
}

测试用例

cpp 复制代码 
#include"queue.h"

void test()
{
	Queue qu;
	QueueInit(&qu);
	QueuePush(&qu, 1);
	QueuePush(&qu, 2);
	printf("%d\n", QueueBack(&qu));

	QueuePush(&qu, 3);
	QueuePush(&qu, 4);
	
	printf("%d\n", QueueSize(&qu));
	while(!QueueEmpty(&qu))
	{
		printf("%d ", QueueFront(&qu));
		QueuePop(&qu);
	}
	printf("\n%d\n", QueueSize(&qu));

	QueueDestroy(&qu);
}

int main()
{
	test();
	return 0;
}

测试结果：

感谢你耐心的看到这里ღ( ´･ᴗ･` )比心，如有哪里有错误请踢一脚作者o(╥﹏╥)o！

​​​​​​​ ​​​​​​​ ​​​​​​​

给个三连再走嘛~

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