3.3栈与队列的应用

栈和队列是数据结构中的两种基本线性结构,它们在计算机科学中有着广泛的应用。本文基于提供的文档内容,系统梳理栈在表达式求值、递归、括号匹配中的应用,以及队列在树、图和操作系统中的应用。回复结构丰富,包含标题、小节、列表和图片嵌入,以增强可读性。

一、栈的应用:表达式求值

表达式求值是栈的核心应用之一,主要涉及中缀、后缀和前缀表达式的转换与计算。

1. 三种算术表达式

  • ​中缀表达式​ ​:运算符在两个操作数中间,如 A + B,需使用界限符(如括号)明确运算顺序。

  • ​后缀表达式​ ​(逆波兰表达式):运算符在两个操作数后面,如 A B +,无歧义且易于机算。

  • ​前缀表达式​ ​(波兰表达式):运算符在两个操作数前面,如 + A B

2. 中缀表达式转后缀表达式

​手算方法​​:

  • 步骤:

    1. 确定中缀表达式中各运算符的运算顺序。

    2. 按「左操作数 右操作数 运算符」组合新操作数。

    3. 重复直到所有运算符处理完毕。

  • ​"左优先"原则​​:保证运算顺序唯一,避免自由风格导致结果不一致。

​机算方法​​:

  • 使用栈暂存运算符,算法流程:

    • 初始化运算符栈。

    • 扫描元素:

      • 操作数:直接加入后缀表达式。

      • 界限符:(入栈;)弹出栈内运算符直到 (

      • 运算符:弹出优先级≥当前运算符的所有运算符,再入栈。

    • 最后将栈中剩余运算符弹出。

3. 后缀表达式的计算

​手算方法​​:

从左往右扫描,遇到运算符时,取最近两个操作数运算,合并为新操作数。注意操作数左右顺序。

​机算方法​​:

  • 用栈实现:

    1. 扫描元素,操作数入栈。

    2. 遇到运算符时,弹出两个栈顶元素(先右操作数,后左操作数),运算后结果压回栈。

    3. 最终栈中唯一元素即为结果。

      示例:后缀式 A B + C D * E / - F +的计算过程涉及多次栈操作。

4. 中缀表达式的计算(用栈实现)

结合中缀转后缀和后缀求值算法:

  • 初始化操作数栈和运算符栈。

  • 扫描中缀表达式:

    • 操作数:压入操作数栈。

    • 运算符/界限符:按中缀转后缀逻辑处理运算符栈,弹出运算符时同步从操作数栈弹出两个操作数运算,结果压回操作数栈。

  • 优点:直接计算中缀表达式,避免显式转换。

二、栈的应用:递归

递归是栈的典型应用,通过函数调用栈实现。

1. 函数调用过程

  • 函数调用时,栈存储:

    • 调用返回地址

    • 实参

    • 局部变量

  • 特点:最后被调用的函数最先结束(LIFO),递归工作栈每层递归压入/弹出信息。

2. 递归示例

  • ​阶乘计算​​:

    factorial(n) = n * factorial(n-1)(递归体),边界条件 n=0n=1时返回 1。

    递归深度较大时可能导致栈溢出。

  • ​斐波那契数列​​:

    递归表达式包含重复计算,效率低。

3. 递归的优缺点

  • 优点:简化代码,问题分解直观。

  • 缺点:栈溢出风险、重复计算;可自定义栈改造成非递归算法。

三、栈的应用:括号匹配

括号匹配是栈的基础应用,确保表达式中的括号正确配对。

1. 算法原理

  • 扫描字符:

    • 左括号((, [, {):入栈。

    • 右括号:弹出栈顶左括号并检查是否匹配。

  • 匹配失败情况:

    • 左括号单身(栈非空)。

    • 右括号单身(扫描到右括号时栈空)。

    • 左右括号类型不匹配。

2. 代码实现

复制代码
bool bracketCheck(char str[], int length) {
    SqStack S;
    InitStack(S); // 初始化栈
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        if (str[i] == '(' || str[i] == '[' || str[i] == '{') {
            Push(S, str[i]); // 左括号入栈
        } else {
            if (StackEmpty(S)) return false; // 右括号单身
            char topElem;
            Pop(S, topElem); // 弹出栈顶左括号
            if (不匹配) return false; // 类型检查
        }
    }
    return StackEmpty(S); // 栈空则匹配成功
}
  • 使用栈(顺序栈或链栈)实现,注意栈容量问题。

四、队列的应用

队列(FIFO)广泛应用于层次遍历和资源调度。

1. 树的层次遍历

  • 按层级访问树节点,队列维护访问顺序。

  • 示例:节点1入队后,出队并访问其子节点3、5入队,依次处理。

2. 图的广度优先遍历(BFS)

  • 从起点开始,用队列存储待访问节点,确保先访问邻接节点。

  • 示例:节点1入队,出队后邻接节点2、8入队,依次扩展。

3. 操作系统中的应用

  • ​CPU资源分配​​:就绪进程队列实现FCFS(先来先服务)策略。

  • ​打印数据缓冲区​​:队列缓解主机与打印机速度不匹配,管理打印任务顺序。

总结

栈和队列是基础数据结构的核心,栈通过LIFO特性高效处理表达式、递归和括号匹配,队列通过FIFO特性实现遍历和调度。掌握其应用有助于深入理解算法和系统设计。本文基于文档内容系统梳理了关键知识点,嵌入相关图片以增强理解。

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