数据结构--栈和队列

[1. 栈](#1. 栈)

[1.1 概念和结构](#1.1 概念和结构)

[1.2 代码实现：](#1.2 代码实现：)

[1.2.1 Stack.h 头文件](#1.2.1 Stack.h 头文件)

[1.2.2 Stack.c 源文件](#1.2.2 Stack.c 源文件)

[1.2.3 栈初始化注意事项：](#1.2.3 栈初始化注意事项：)

[2. 队列](#2. 队列)

[2.1 概念与结构](#2.1 概念与结构)

[2.2 代码实现](#2.2 代码实现)

[2.2.1 Queue.h 头文件](#2.2.1 Queue.h 头文件)

[2.2.2 Queue.c 源文件](#2.2.2 Queue.c 源文件)

[2.2.3 代码注意事项](#2.2.3 代码注意事项)

正文开始：

1. 栈

1.1 概念和结构

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。

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。

1.2 代码实现：

1.2.1 Stack.h 头文件

cpp 复制代码

#pragma once

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

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* a;   //a是指向动态数组的指针
	int top;
	int capacity;
}ST;

// 初始化和销毁
void STInit(ST* pst);
void STDestroy(ST* pst);

// 入栈  出栈
void STPush(ST* pst, STDataType x);
void STPop(ST* pst);

// 取栈顶数据
STDataType STTop(ST* pst);

// 判空
bool STEmpty(ST* pst);

// 获取数据个数
int STSize(ST* pst);

1.2.2 Stack.c 源文件

cpp 复制代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include "Stack.h"

// 初始化和销毁
void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);

	pst->a = NULL;
	// top指向栈顶数据的下一个位置
	pst->top = 0;

	// top指向栈顶数据
	//pst->top = -1;

	pst->capacity = 0;
}

void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);

	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
	pst->top = pst->capacity = 0;
}

// 入栈  出栈
void STPush(ST* pst, STDataType x)
{
	assert(pst);

	// 扩容
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}

		pst->a = tmp;
		pst->capacity = newcapacity;
	}

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

void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(pst->top > 0);

	pst->top--;
}

// 取栈顶数据
STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(pst->top > 0);

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

// 判空
bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);

	return pst->top == 0;
}

// 获取数据个数
int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);

	return pst->top;
}

1.2.3 栈初始化注意事项：

cpp 复制代码

// 设计1：top指向栈顶元素的下一个位置
// 初始时：top = 0
// 空栈条件：top == 0
// 栈中元素数量 = top
typedef struct Stack {
    STDataType* a;
    int top;      // top位置即下一个要插入的位置
    int capacity;
}ST;

// 设计2：top指向栈顶元素的位置
// 初始时：top = -1
// 空栈条件：top == -1
// 栈中元素数量 = top + 1
typedef struct Stack {
    STDataType* a;
    int top;      // 当前栈顶元素的位置
    int capacity;
}ST;

可视化理解：

cpp 复制代码

初始栈：      push(10)       push(20)       pop()
            ↓              ↓              ↓
top=0      top=1          top=2          top=1
数组: []      [10]          [10,20]        [10,20]
           ↑               ↑             ↑
          top=1           top=2         top=1（20被逻辑移除）

尝试pop()时：
- top=1 → 成功（top变为0）
- 再次pop()时：top=0 → assert触发（top > 0 为假）

2. 队列

2.1 概念与结构

概念：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

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。

2.2 代码实现

2.2.1 Queue.h 头文件

cpp 复制代码

#pragma once

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


typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType val;
}QNode;

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

void QueueInit(Queue* pq);
void QueueDestroy(Queue* pq);

// 队尾插入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
// 队头删除
void QueuePop(Queue* pq);

// 取队头和队尾的数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);
QDataType QueueBack(Queue* pq);

int QueueSize(Queue* pq);
bool QueueEmpty(Queue* pq);

//// 队尾插入
//void QueuePush(QNode** pphead, QNode** pptail, QDataType x);
//// 队头删除
//void QueuePop(QNode** pphead, QNode** pptail);

2.2.2 Queue.c 源文件

cpp 复制代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include"Queue.h"

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

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;
}

// 队尾插入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);

	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}

	newnode->next = NULL;
	newnode->val = x;

	if (pq->ptail == NULL)
	{
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}

	pq->size++;
}

// 队头删除
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->size != 0);

	/*QNode* next = pq->phead->next;
	free(pq->phead);
	pq->phead = next;

	if (pq->phead == NULL)
		pq->ptail = NULL;*/

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

	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);

	return pq->phead->val;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->ptail);

	return pq->ptail->val;
}


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

	return pq->size;
}

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size == 0;
}

2.2.3 代码注意事项

一般来讲，队列的插入代码，可以以如下形式声明设计：（按设计需求，灵活变通）

cpp 复制代码

typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType val;
}QNode;

//队尾插入
void QueuePush(QNode** pphead, QNode** pptail, QDataType x);
//队头删除
void QueuePop(QNode** pphead, QNode** pptail);

但是：此声明形式需要传的参数较多，且需要传的是较为复杂的二级指针才能满足需求。

所以我们可换一种形式，即定义两个结构体，一个结构体定义一个一个的结点构成队列，又因为队列的设计需求需要两个指针phead、ptail实现其功能，所以我们可再定义一个结构体包含这两个指针，从而可达成只需传一个参数的目的，而且只需要传这个结构体的一级指针，就可实现对其包含在内的phead、ptail指针进行修改，既避免了传多个参数，又避免了传二级指针，一箭双雕简化代码。

cpp 复制代码

typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType val;
}QNode;

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

// 队尾插入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
// 队头删除
void QueuePop(Queue* pq);