栈与队列学习笔记

1. 栈（Stack）

1.1 栈的定义

栈是一种后进先出（Last In First Out, LIFO）的数据结构。栈中元素的插入和删除只在一端进行，该端称为栈顶（Top）。

1.2 栈的基本操作

入栈（Push）：将元素添加到栈顶。
出栈（Pop）：从栈顶移除元素。
栈顶元素（Peek/Top）：返回栈顶的元素，但不移除。
检查栈是否为空（IsEmpty）：检查栈中是否有元素。

1.3 栈的实现

栈可以使用数组或链表来实现。

使用数组实现栈

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

#define MAX_SIZE 100

typedef struct {
    int items[MAX_SIZE];
    int top;
} Stack;

void init_stack(Stack* stack) {
    stack->top = -1;
}

bool is_empty(Stack* stack) {
    return stack->top == -1;
}

bool is_full(Stack* stack) {
    return stack->top == MAX_SIZE - 1;
}

void push(Stack* stack, int item) {
    if (is_full(stack)) {
        printf("Stack Overflow\n");
        return;
    }
    stack->items[++stack->top] = item;
}

int pop(Stack* stack) {
    if (is_empty(stack)) {
        printf("Stack Underflow\n");
        return -1;
    }
    return stack->items[stack->top--];
}

int peek(Stack* stack) {
    if (is_empty(stack)) {
        printf("Stack is empty\n");
        return -1;
    }
    return stack->items[stack->top];
}

使用链表实现栈

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

typedef struct Node {
    int value;
    struct Node* next;
} Node;

typedef struct {
    Node* top;
} Stack;

void init_stack(Stack* stack) {
    stack->top = NULL;
}

bool is_empty(Stack* stack) {
    return stack->top == NULL;
}

void push(Stack* stack, int value) {
    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    new_node->value = value;
    new_node->next = stack->top;
    stack->top = new_node;
}

int pop(Stack* stack) {
    if (is_empty(stack)) {
        printf("Stack Underflow\n");
        return -1;
    }
    Node* temp = stack->top;
    int value = temp->value;
    stack->top = stack->top->next;
    free(temp);
    return value;
}

int peek(Stack* stack) {
    if (is_empty(stack)) {
        printf("Stack is empty\n");
        return -1;
    }
    return stack->top->value;
}

1.4 栈的应用

函数调用栈：用于跟踪函数调用和返回。
表达式求值：用于中缀表达式转后缀表达式、表达式求值。
括号匹配：用于检查括号是否匹配。

2. 队列（Queue）

2.1 队列的定义

队列是一种先进先出（First In First Out, FIFO）的数据结构。队列中元素的插入在一端进行，该端称为队尾（Rear），删除在另一端进行，该端称为队头（Front）。

2.2 队列的基本操作

入队（Enqueue）：将元素添加到队尾。
出队（Dequeue）：从队头移除元素。
队头元素（Peek/Front）：返回队头的元素，但不移除。
检查队列是否为空（IsEmpty）：检查队列中是否有元素。

2.3 队列的实现

队列可以使用数组或链表来实现。

使用数组实现队列

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

#define MAX_SIZE 100

typedef struct {
    int items[MAX_SIZE];
    int front;
    int rear;
} Queue;

void init_queue(Queue* queue) {
    queue->front = -1;
    queue->rear = -1;
}

bool is_empty(Queue* queue) {
    return queue->front == -1;
}

bool is_full(Queue* queue) {
    return queue->rear == MAX_SIZE - 1;
}

void enqueue(Queue* queue, int item) {
    if (is_full(queue)) {
        printf("Queue Overflow\n");
        return;
    }
    if (queue->front == -1)
        queue->front = 0;
    queue->items[++queue->rear] = item;
}

int dequeue(Queue* queue) {
    if (is_empty(queue)) {
        printf("Queue Underflow\n");
        return -1;
    }
    int item = queue->items[queue->front];
    if (queue->front >= queue->rear) {
        queue->front = -1;
        queue->rear = -1;
    } else {
        queue->front++;
    }
    return item;
}

int peek(Queue* queue) {
    if (is_empty(queue)) {
        printf("Queue is empty\n");
        return -1;
    }
    return queue->items[queue->front];
}

使用链表实现队列

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

typedef struct Node {
    int value;
    struct Node* next;
} Node;

typedef struct {
    Node* front;
    Node* rear;
} Queue;

void init_queue(Queue* queue) {
    queue->front = NULL;
    queue->rear = NULL;
}

bool is_empty(Queue* queue) {
    return queue->front == NULL;
}

void enqueue(Queue* queue, int value) {
    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    new_node->value = value;
    new_node->next = NULL;
    if (queue->rear) {
        queue->rear->next = new_node;
    }
    queue->rear = new_node;
    if (queue->front == NULL) {
        queue->front = new_node;
    }
}

int dequeue(Queue* queue) {
    if (is_empty(queue)) {
        printf("Queue Underflow\n");
        return -1;
    }
    Node* temp = queue->front;
    int value = temp->value;
    queue->front = queue->front->next;
    if (queue->front == NULL) {
        queue->rear = NULL;
    }
    free(temp);
    return value;
}

int peek(Queue* queue) {
    if (is_empty(queue)) {
        printf("Queue is empty\n");
        return -1;
    }
    return queue->front->value;
}

2.4 队列的应用

操作系统中的任务调度：用于管理进程和任务调度。
广度优先搜索（BFS）：用于图的遍历。
缓冲区：用于数据缓冲和流处理。

3. 栈与队列的比较

特性	栈（Stack）	队列（Queue）
数据结构	后进先出（LIFO）	先进先出（FIFO）
基本操作	Push, Pop, Peek, IsEmpty	Enqueue, Dequeue, Peek, IsEmpty
插入位置	栈顶	队尾
删除位置	栈顶	队头
应用场景	函数调用栈、表达式求值、括号匹配	任务调度、广度优先搜索、缓冲区
实现方式	数组或链表	数组或链表