数据结构：栈和队列的实现附上源代码（C语言版）

萧瑟其中～2024-03-03 18:28

目录

前言

1.栈

[1.1 栈的概念及结构](#1.1 栈的概念及结构)

[1.2 栈的底层数据结构选择](#1.2 栈的底层数据结构选择)

[1.2 数据结构设计代码（栈的实现）](#1.2 数据结构设计代码（栈的实现）)

[1.3 接口函数实现代码](#1.3 接口函数实现代码)

（1）初始化栈

（2）销毁栈

（3）压栈

（4）出栈

（5）获取栈顶元素

（6）获取栈中有效元素的个数

（7）检测栈是否为空

[1.4 测试函数](#1.4 测试函数)

[2. 队列](#2. 队列)

[2.1 队列概念及结构](#2.1 队列概念及结构)

[2.2 队列的底层数据结构的选择](#2.2 队列的底层数据结构的选择)

[2.2 数据结构设计代码（队列的实现）](#2.2 数据结构设计代码（队列的实现）)

[2.3 接口函数](#2.3 接口函数)

（1）初始化队列

（2）销毁队列

（3）队尾入队列

（4）队头出队列

（5）获取队列头部元素

（6）获取队列尾部元素

（7）获取队列中有效元素个数

（8）检测队列是否为空

[2.4 测试函数](#2.4 测试函数)

[3. 栈和队列的源代码](#3. 栈和队列的源代码)

[3.1 栈](#3.1 栈)

（1）Stack.h

（2）Stack.c

（3）STtest.c

[3.2 队列](#3.2 队列)

（1）Queue.h

（2）Queue.c

（3）Qtest.c

总结

前言

这篇文章是关于栈和队列的C语言实现，干货满满，大家可以边看边手写代码，最后附上栈和队列的参考代码。

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 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。

这个数据结构可以理解为炸串。在最开始，插入丸子时，要插到这根签的最底部，就是入栈 。开始吃的时候，一般从最上面的丸子入手，就是出栈。

1.2 栈的底层数据结构选择

我们学过顺序表和链表两种数据结构，用那种会更好呢？

  • 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。不用挪动数据，删除操作也很简单。
  • 而链表如果要入栈，就是链表的尾插，我们需要找到链表的尾结点，效率低。出栈也是一样。

1.2 数据结构设计代码（栈的实现）

在用C语言实现栈各种接口函数，需要创建三个文件，分别是STtest.c，Stack.c和Stack.h。

  • STtest.c文件用来测试接口函数是否能成功。
  • Stack.c文件里面放的是各种接口函数实现的代码
  • Stack.h文件放置各种头文件的声明，栈数据结构的设计和接口函数的声明。下面的代码就是放在此文件中。
cpp 复制代码 
typedef int STDataType;
// 下面是定长的静态栈的结构，实际中一般不实用，所以我们主要实现下面的支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
#define N 10
typedef struct Stack
{
	STDataType _a[N];
	int _top; // 栈顶
}Stack;

// 支持动态增长的栈
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;      //栈顶
	int capacity; //容量
}ST;

//初始化栈
void StackInit(ST* ps);
//销毁栈
void StackDestroy(ST* ps);
//压栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
//出栈
void StackPop(ST* ps);
//获取栈顶元素
STDataType StackTop(ST* ps);
//获取栈中有效元素个数
int StackSize(ST* ps);
//检测栈是否为空，为空返回true
bool StackEmpty(ST* ps);

1.3 接口函数实现代码

（1）初始化栈

初始化栈一开始要断言，断言来判断ps指针是否为空，如果为空会直接终止程序并给出提示，方便之后的调试，之后的断言不再赘述。指针指向空，内部整型数据赋值为0。但是top得注意，top其实也是个下标。看下面的注释，top可以有两种赋值方式，只是表示不同意思。

cpp 复制代码 
void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;//表示指向栈顶的下一个元素
    //ps->top = -1 ///表示指向栈顶元素
	ps->capacity = 0;
}

（2）销毁栈

因为我们是以数组为基础，是动态开辟的连续空间，直接释放掉ps中的数组指针，并要置为空。

cpp 复制代码 
void StackDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;//易错
	ps->top = ps->capacity = 0;
}

（3）压栈

栈的压栈操作跟顺序表的尾插类似，先要检查内部空间容量是否足够，一开始给四个该数据结构的空间，之后的按两倍来扩容。最后就是插入数据，栈顶减一。

cpp 复制代码 
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);

	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* tmp = realloc(ps->a, sizeof(STDataType) * newCapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			printf("realloc fail\n");
			exit(-1);
		}

		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newCapacity;
	}

	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

（4）出栈

这次不仅要判断ps是否不为空指针，还要判断栈内是否有元素，这样才可以删除元素，让栈顶减一即可。

cpp 复制代码 
void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->top--;
}

（5）获取栈顶元素

这里的判断跟上个接口函数一样，只有栈内有元素，才能取栈顶元素。

cpp 复制代码 
STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->a[ps->top - 1];
}

（6）获取栈中有效元素的个数

此时的top表示的是栈顶的下一个元素的下标，刚好就是元素个数，直接返回栈顶top

cpp 复制代码 
int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top;
}

（7）检测栈是否为空

很多人会写个if语句判断，其实可以直接像下面一样写，ps->top == 0变成一个判断语句，如果为真返回一个部位0的数，如果为假返回0。

cpp 复制代码 
bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}

1.4 测试函数

我们写两个测试函数，第一个测试函数，是出栈和入栈的操作，可以调试查看。第二个测试函数是栈的数据打印，需要使用StackTop获取栈顶元素，然后将打印的数据出栈。

cpp 复制代码 
void TestStack1()
{
	ST st;
	StackInit(&st);

	StackPush(&st, 1);
	StackPush(&st, 2);
	StackPush(&st, 3);
	StackPush(&st, 4);

	StackPop(&st);
	StackPop(&st);
	StackPop(&st);
	StackPop(&st);
	StackPop(&st);

	StackDestroy(&st);
}

void TestStack2()
{
	ST st;
	StackInit(&st);

	StackPush(&st, 1);
	StackPush(&st, 2);
	StackPush(&st, 3);
	StackPush(&st, 4);

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

int main()
{
	TestStack1();
	TestStack2();

	return 0;
}

输出结果：

2. 队列

2.1 队列概念及结构

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)

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

这个数据结构可以理解为在银行取号，先取号的人，就是入队列。然后先取到号的人，就先去窗口处理业务，这就是出队列。

2.2 队列的底层数据结构的选择

跟栈一样，队列也可以用顺序表和链表来实现，那哪一个更好呢？

  • 相较于数组，使用链表更优一些。队列的入队和出队，分别是链表的尾插和头删，不过我们会创建两个指针指向头结点和尾结点，所以不会有时间的消耗。
  • 而数组在头部插入和删除数据，都要挪动数据，效率较低。

链表的数据结构存储的是一个数据变量，和指向下一个结点的指针变量。我们入队列和出队列分别在队尾和队头，所以我们在队列的数据结构定义两个链表的指针变量head和tail，表示队头和队尾

2.2 数据结构设计代码（队列的实现）

跟栈的实现一样，首先要创建三个文件Qtest.c，Queue.c和Queue.h。

  • Qtest.c文件用来测试接口函数是否能成功。
  • Queue.c文件里面放的是各种接口函数实现的代码
  • Queue.h文件放置各种头文件的声明，栈数据结构的设计和接口函数的声明。下面的代码就是放在此文件中。
cpp 复制代码 
// 链式结构：表示队列
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType data;
}QueueNode;

// 队列的结构
typedef struct Queue
{
	QueueNode* head;
	QueueNode* tail;
}Queue;

//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq); 
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);
//队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//队头出队列
void QueuePop(Queue* pq);
//获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//获取队列尾部元素
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，如果为空返回true
bool QueueEmpty(Queue* pq);

2.3 接口函数

（1）初始化队列

队列初始化，只需要将队头链表指针和队尾链表指针置为空指针就好。

cpp 复制代码 
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;
}

（2）销毁队列

因为是以链表为基础，需要用while循环释放掉每一个动态开辟的结点。

cpp 复制代码 
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur != NULL)
	{
		QueueNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->head = pq->tail = NULL;
}

（3）队尾入队列

队尾入队列就是链表的尾插，但是我们有tail指针，直接在tail后面插入就好。不过需要分是否为空队列两种情况，如果是空队列，head和tail指针都指向新结点，如果不是空队列，在tail之后插入。

cpp 复制代码 
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("Queue malloc fail");
		return;
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}

（4）队头出队列

在操作之前，我们需要判断队列是否有元素。然后在释放第一个结点，改变指针指向。

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

	QueueNode* next = pq->head->next;
	free(pq->head);
	pq->head = next;
}

（5）获取队列头部元素

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

	return pq->head->data;
}

（6）获取队列尾部元素

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

	return pq->tail->data;
}

（7）获取队列中有效元素个数

这需要一个计数变量。

cpp 复制代码 
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	int n = 0;
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		n++;
		cur = cur->next;
	}

	return n;
}

（8）检测队列是否为空

跟栈判空相同。

cpp 复制代码 
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL;
}

2.4 测试函数

写两个测试函数，第一是入队列和出队列的操作，可以一步一步调试看情况。第二个测试函数，是打印队列里的数据，现获取队头的数据，然后再出队。

cpp 复制代码 
void TestQueue1()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);

	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	
	printf("%d\n", QueueBack(&q));

	QueueDestroy(&q);
}

void TestQueue2()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);

	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		QDataType front = QueueFront(&q);
		printf("%d ", front);
		QueuePop(&q);
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	TestQueue1();
	TestQueue2();

	return 0;
}

输出的结果：

3. 栈和队列的源代码

3.1 栈

（1）Stack.h

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

typedef int STDataType;
 下面是定长的静态栈的结构，实际中一般不实用，所以我们主要实现下面的支持动态增长的栈
//typedef int STDataType;
//#define N 10
//typedef struct Stack
//{
//	STDataType _a[N];
//	int _top; // 栈顶
//}Stack;

// 支持动态增长的栈
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;      //栈顶
	int capacity; //容量
}ST;
//初始化栈
void StackInit(ST* ps);
//销毁栈
void StackDestroy(ST* ps);
//压栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
//出栈
void StackPop(ST* ps);
//获取栈顶元素
STDataType StackTop(ST* ps);
//获取栈中有效元素个数
int StackSize(ST* ps);
//检测栈是否为空，为空返回true
bool StackEmpty(ST* ps);

（2）Stack.c

cpp 复制代码 
#include "Stack.h"

void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;//ps->top = -1
	ps->capacity = 0;
}

void StackDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = ps->capacity = 0;
}

void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);

	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* tmp = realloc(ps->a, sizeof(STDataType) * newCapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			printf("realloc fail\n");
			exit(-1);
		}

		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newCapacity;
	}

	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->top--;
}

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

	return ps->a[ps->top - 1];
}

int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top;
}

bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}

（3）STtest.c

cpp 复制代码 
#include "Stack.h"

void TestStack1()
{
	ST st;
	StackInit(&st);

	StackPush(&st, 1);
	StackPush(&st, 2);
	StackPush(&st, 3);
	StackPush(&st, 4);

	StackPop(&st);
	StackPop(&st);
	StackPop(&st);
	StackPop(&st);
	StackPop(&st);

	StackDestroy(&st);
}

void TestStack2()
{
	ST st;
	StackInit(&st);

	StackPush(&st, 1);
	StackPush(&st, 2);
	StackPush(&st, 3);
	StackPush(&st, 4);

	//printf("%d ", StackTop(&st));
	//StackPop(&st);
	//printf("%d ", StackTop(&st));
	//StackPop(&st);

	//StackPush(&st, 5);
	//StackPush(&st, 6);

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

	StackDestroy(&st);
}

int main()
{
	TestStack1();
	//TestStack2();

	return 0;
}

3.2 队列

（1）Queue.h

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

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

// 队列的结构
typedef struct Queue
{
	QueueNode* head;
	QueueNode* tail;
}Queue;

//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq); 
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);
//队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//队头出队列
void QueuePop(Queue* pq);
//获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//获取队列尾部元素
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，如果为空返回true
bool QueueEmpty(Queue* pq);

（2）Queue.c

cpp 复制代码 
#include "Queue.h"

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur != NULL)
	{
		QueueNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->head = pq->tail = NULL;
}

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("Queue malloc fail");
		return;
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	QueueNode* next = pq->head->next;
	free(pq->head);
	pq->head = next;
}


QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->head->data;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->tail->data;
}

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	int n = 0;
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		n++;
		cur = cur->next;
	}

	return n;
}

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

（3）Qtest.c

cpp 复制代码 
void TestQueue1()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);

	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	
	printf("%d\n", QueueBack(&q));

	QueueDestroy(&q);
}

void TestQueue2()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);

	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		QDataType front = QueueFront(&q);
		printf("%d ", front);
		QueuePop(&q);
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	//TestQueue1();
	TestQueue2();
	return 0;
}

总结

栈和队列的实现其实相较于链表的实现简单一些，是因为其结构的特殊要求。之后会出一篇关于栈和队列的OJ题目。多多重复，百炼成钢！

创作不易，希望这篇文章能给你带来启发和帮助，如果喜欢这篇文章，请留下你的三连，你的支持的我最大的动力！！！

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