C语言实现堆栈和队列(动态)

news2024/9/24 13:19:03

行路难！行路难！多歧路，今安在？长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。————李白

一  .堆栈

1 什么是堆栈

堆栈是一种特殊的线性表，堆栈中的元素以及元素之间的逻辑关系和线性表完全相同。在操作上的差别是线性表允许在任意位置插入和删除元素，而堆栈只允许在固定一端插入和删除元素，堆栈中允许插入和删除元素的一端称为栈顶，另一端称为栈底。

栈顶的当前位置是动态的，用于标记栈顶当前位置的变量，称为栈顶指示器。堆栈的插入操作，通常称为入栈。堆栈的删除操作通常称为出栈。

根据堆栈的定义，我们可以发现，每次入栈的元素都放在原栈顶元素之前而成为新的栈顶元素，每次出栈的元素都是原栈顶元素。这样最后进入栈的元素总是最先退出栈的，因此堆栈也称作后进先出的线性表，或简称为后进先出表。 

2 堆栈的两种实现方式

栈的实现一般可以使用数组或者链表实现

链式栈：用链表的结构来实现栈。

顺序栈：用数组的结构来实现栈。

优缺点：

单向链式结构的出栈入栈效率比较低，因为我们要先找到尾结点再行插入删除

而顺序栈只需要记录栈顶位置，进行出栈入栈十分方便，不需要多余的空间存储地址。

所以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。

3 堆栈的操作实现

3.1 栈的结构体和初始化

结构体：

#pragma once

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

初始化：

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

	ps->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * 4);
	if (ps->a == NULL)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}

	ps->capacity = 4;
	ps->top = 0;
}
3.2 销毁
void StackDestory(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = ps->capacity = 0;
}

3.3入栈
// 入栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);

	// 满了-》增容
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, ps->capacity * 2 * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			printf("realloc fail\n");
			exit(-1);
		}
		else
		{
			ps->a = tmp;
			ps->capacity *= 2;
		}
	}

	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}
3.4出栈
// 出栈
void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	// 栈空了，调用Pop，直接中止程序报错
	assert(ps->top > 0);

	//ps->a[ps->top - 1] = 0;
	ps->top--;
}
3.5判断栈是否为空
bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}
3.6取顶部数据
STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	// 栈空了，调用Top，直接中止程序报错
	assert(ps->top > 0);

	return ps->a[ps->top - 1];
}
3.7取栈中有效数据的个数
int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top;
}

4 完整代码

Stack.h
#pragma once

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
typedef int STDataType;


typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

void StackInit(ST* ps);

void StackDestory(ST* ps);
// 入栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
// 出栈
void StackPop(ST* ps);

STDataType StackTop(ST* ps);

int StackSize(ST* ps);

bool StackEmpty(ST* ps);
Stack.c
#include "Stack.h"

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

	ps->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * 4);
	if (ps->a == NULL)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}

	ps->capacity = 4;
	ps->top = 0;
}

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

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

	// 满了-》增容
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, ps->capacity * 2 * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			printf("realloc fail\n");
			exit(-1);
		}
		else
		{
			ps->a = tmp;
			ps->capacity *= 2;
		}
	}

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

// 出栈
void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	// 栈空了，调用Pop，直接中止程序报错
	assert(ps->top > 0);

	//ps->a[ps->top - 1] = 0;
	ps->top--;
}

STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	// 栈空了，调用Top，直接中止程序报错
	assert(ps->top > 0);

	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;
}

二 .队列

1 队列的概念及结构

队列也是一种特殊的线性表，队列中的元素及元素间的逻辑关系和线性表完全相同，在操作上的差异是; 线性表允许在任意位置插入和删除元素。而队列只允许在其一端进行插入操作，在其另一端进行删除操作。

在队列中，允许进行插入操作的一端成为队尾。允许进行删除操作的一端成为队头，队头队尾，分别由队头指针和队尾指针指示。队列的插入操作通常称作入队列，队列的删除操作通常称作出队列，根据队列的定义，我们可以把，队列想象成是一种先进先出的线性表，简称先进先出表

 

2 队列的实现形式

队列也可以数组和链表的结构实现，但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。

3 队列的操作实现

3.1  结构体
typedef int QDataType;

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

typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
}Queue;
3.2  队列初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
}
3.3  队列的销毁
void QueueDestory(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->head = pq->tail = NULL;
}
3.4  入队列（队尾入）
// 队尾入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}

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

	if (pq->tail == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}
 3.5  出队列（队头出）
// 队头出
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head);


	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
}
3.6  删除队内数据
3.6.1  前删
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head);

	return pq->head->data;
}
3.6.2  尾删
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head);

	return pq->tail->data;
}
3.7  返回队列大小
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	int size = 0;
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		++size;
		cur = cur->next;
	}

	return size;
}
3.8  清空队列 
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL;
}

4 完整代码

queue.h:
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#pragma once

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
typedef int QDataType;

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

typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
}Queue;

//队列初始化
void QueueInit(Queue* pq);

//队列销毁
void QueueDestory(Queue* pq);

// 队尾入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

// 队头出
void QueuePop(Queue* pq);

//前删
QDataType QueueFront(Queue* pq);

//后删
QDataType QueueBack(Queue* pq);

//队列大小
int QueueSize(Queue* pq);

//清空队列
bool QueueEmpty(Queue* pq);
queue.c:
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include "Queue.h"

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

void QueueDestory(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

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

// 队尾入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}

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

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

// 队头出
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head);


	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
}


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

	return pq->head->data;
}

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

	return pq->tail->data;
}

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	int size = 0;
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		++size;
		cur = cur->next;
	}

	return size;
}

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

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