栈和队列的实现（详解+图解！文末附完整代码）

news2024/11/18 14:36:26

栈

栈的基本概念

栈是一种特殊的线性表，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。
出栈和入栈的操作如下：
他们都只能从栈顶进行出栈和进栈操作，所以栈要遵守先进后出的原则
在这里插入图片描述
栈的先进先出原则如下：
在这里插入图片描述

栈的实现

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。所以我们在这里选择用数组来实现栈。
数组栈的结构图：
在这里插入图片描述
下面我们就用数组来是具体实现栈的增删查改等操作
头文件如下：

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<ctype.h>
#include<stdlib.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;		// 栈顶
	int capacity;  // 容量 
}Stack;
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps);
// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data);
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps);
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps);
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps);
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
int StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);
创建栈

首先我们在这里将int作为本次栈的数据类型
我们还要定义一个结构体里面有数组，栈顶元素的下标的+1和栈的容量（栈里面的最多元素个数）

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;		// 
	int capacity;  //  
}Stack;
栈的初始化

栈的初始化就比较简单了，直接将top和容量置为0，并且把数组置为空

void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
	ps->a = NULL;
}
栈的销毁

栈的销毁同样很简单，将数组free掉，防止出现野指针，同时置空，然后容量和栈顶元素下标置为0

void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->capacity = 0;
	ps->top = 0;
}
判断栈是否为空

在后面的增删查改等操作我们需要断言，为了增加代码的可读性，我们直接写一个函数 ，更加容易理解，如果栈顶元素下标为0，那么这个栈就为空 ，所以直接return top等于 0这个表达式的值，为空则返回 1，不为空则返回0

int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}
数据进栈

数据进栈是从栈顶入，我们首先要判断这个 栈是否已满，如果满了的话那么栈顶的下标就和容量相等，对于top和capacity的不理解的可以看这个图，top的意思如下图：
在这里插入图片描述
当capacity和top相等时其实是有两种情况的，一种时为空，另一种是栈满，，我们在这里就用一个三目操作符，如果为0，就将capacity初始化为4，否则将capacity的原来的值乘2，然后动态开辟realloc一块新的空间，大小就是newcapacity，这样我们就完成了扩容
然后我们将新空间temp给数组a
最后直接把插入的数据data给a[top]，同时top++
在这里插入图片描述

void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* temp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (temp == NULL)
		{
			perror("realloc");
			return;
		}
		ps->capacity = newcapacity;
		ps->a = temp;
	}
	ps->a[ps->top] = data;
	ps->top++;
}
数据出栈

出栈及其简单，直接先判断栈是否为空，然后将top–即可

void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	ps->top--;
}
获取栈顶元素

栈顶元素的下标其实就是top-1，所以直接返回a[top-1]

STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top - 1];
}
获取栈内的元素个数

栈内元素个数就是top的值，栈为空top为0

int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}

栈的实现就完成了，完整代码如下：

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

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

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

int StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* temp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (temp == NULL)
		{
			perror("realloc");
			return;
		}
		ps->capacity = newcapacity;
		ps->a = temp;
	}
	ps->a[ps->top] = data;
	ps->top++;
}

void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	ps->top--;
}

STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top - 1];
}

int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}

队列

栈的基本概念

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
在这里插入图片描述

队列的实现

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。
这里我们就用列表的结构来实现队列
头文件如下：
注意，这里我们定义了两个结构体，，第一个结构体其实只是链表的结构，里面有一个next一个data，第二个则是队列的结构，一个队头（出数据）指针，一个队尾指针（进数据），还有一个队列的大小

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

// 链式结构：表示队列 
typedef int QDataType;

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

// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
	QDataType size;
	QNode* front;
	QNode* rear;
}Queue;

// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data);
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q);
// 检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
int QueueEmpty(Queue* q);
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q);
队列的初始化

初始目前以及是熟能生巧了，很简单，size置为0，头尾指针置为空即可

void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);
	q->size = 0;
	q->front = q->rear = NULL;
}
队列的销毁

队列的销毁我们需要花点功夫理解一下：
因为队列有多个节点，全部都要free掉 ，不然就可能会出现野指针的问题，所以我们在这里用一个while循环，将cur置为头指针，将next置为cur的next，这样当前cur的next就不会丢失。首先我们把cur给free掉，然后将cur置为next继续操作，直到cur为空，然后将front和rear置为空，size置为0即可。
在这里插入图片描述

void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);
	QNode* cur = q->front;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	q->front = q->rear = NULL;
	q->size = 0;
}
判断队列是否为空

和栈一样，提高代码的可读性，如果size=0，其实队列就为空，但是头尾指针都为空时也可以，为空时返回1，不为空时返回0

int QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->front == NULL && q->rear == NULL;
	/*return q->size == 0;*/
}
队列数据插入

要插入一个数据我们首先要做的就是开辟有一个新的链表节点，然后将他的next置为空，data置为你要插入的数据
插入数据分为两种情况，链表为空和不为空
链表为空时直接将front和rear置为新节点newnode同时size++
链表不为空时就将front的next置为newnode，rear置为newnode同时size++

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return;
	}
	newnode->data = data;
	newnode->next = NULL;
	if (q->rear == NULL)
	{
		assert(q->front == NULL);
		q->front = q->rear = newnode;
	}
	else
	{
		q->rear->next = newnode;
		q->rear = newnode;
	}
	q->size++;
}
队列数据删除

队列的删除我们就要判断队列是否为空，为空就不能删除了
同样的有两种情况：
链表只有一个节点时直接将头尾指针都置为空即可，size–
链表有多个节点时就将front的next置为front，size–
在这里插入图片描述

void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	if (q->rear == q->front)
	{
		free(q->front);
		q->front = q->rear = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = q->front->next;
		free(q->front);
		q->front = next;
	}
	q->size--;
}
获取队头数据

获取队头的元素 ，直接返回头指针的data即可

QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->front->data;
}
获取队尾数据

获取队尾元素 同样简单，直接返回rear的data即可

QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->rear->data;
}
求队列元素个数

直接返回size的值即可

int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->size;
}

队列的实现就完成了
完整代码如下：

void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);
	q->size = 0;
	q->front = q->rear = NULL;
}

void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);
	QNode* cur = q->front;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	q->front = q->rear = NULL;
	q->size = 0;
}

int QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->front == NULL && q->rear == NULL;
	/*return q->size == 0;*/
}

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return;
	}
	newnode->data = data;
	newnode->next = NULL;
	if (q->rear == NULL)
	{
		assert(q->front == NULL);
		q->front = q->rear = newnode;
	}
	else
	{
		q->rear->next = newnode;
		q->rear = newnode;
	}
	q->size++;
}

void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	//һڵʱ
	if (q->rear == q->front)
	{
		free(q->front);
		q->front = q->rear = NULL;
	}
	//ڵ
	else
	{
		QNode* next = q->front->next;
		free(q->front);
		q->front = next;
	}
	q->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->front->data;
}

QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->rear->data;
}

int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->size;
}

好了，今天的分享到这里就结束了，谢谢大家的支持！

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