C语言——栈和队列

news2024/9/24 13:25:52

文章目录

一、栈
- 1. 栈的概念
- 2. 栈的基本功能
- 3. 栈的实现
二、队列
- 1. 队列的概念
- 2. 队列的基本功能
- 3. 队列的实现

一、栈

1. 栈的概念

栈是一种特殊的线性表，限定仅在表尾进行插入和删除的线性表。这一端称之为栈顶，另一端称为栈底。
栈又称为后进先出（Last In First Out）的线性表，简称LIFO结构
在这里插入图片描述

2. 栈的基本功能

// 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 
bool StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

3. 栈的实现

栈的实现一般使用数组或者链表，因为cpu高速缓存的原因，使用数组也非常ok。

创建三个文件
头文件：
Stack.h
源文件：
Stack.c
test.c(测试功能是否能实现)

结构体的定义和函数声明：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
// 支持动态增长的栈
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 
bool StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

实现方法：

// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->capacity = 0;
	//指向栈顶元素的下一个位置
	ps->top = 0;
	//top指向栈顶元素
	//ps->top = -1;
}

ps->a我们有两种初始化方法，一种是直接malloc一个空间，可以是四个或者八个对象的空间，也可以像我一样，先不开，等会入栈的时候再开。
在进行入栈以前，先把top指向为栈顶的下一个数据，如果指向栈顶数据的话，初始化就不能为0。
在这里插入图片描述

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

// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
	assert(ps);
	//扩容
	
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		//初始化不开空间，当我插入数据时再开
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		//用realloc因为在第一个指针为空时，realloc可以实现malloc的功能
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail!");
			exit(1);
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
	ps->a[ps->top] = data;//把数据直接放在top
	ps->top++;//top往后走到栈顶下一个数据

}

// 出栈 
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);//只有当栈不为空时才能出栈
	ps->top--;
}

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

/ 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	return ps->a[ps->top-1];
}

// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}

二、队列

1. 队列的概念

队列（queue）是只允许在一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作的线性表。
队列是一种先进先出（First In First Out）的线性表，简称FIFO。允许插入的一端称为队尾，允许删除的一端称为队头。
在这里插入图片描述

2. 队列的基本功能

//初始化
void QueueInit(Queue* qp);
//销毁
void QueueDestroy(Queue* qp);
//队尾插入
void QueuePush(Queue* qp, QDatatype x);
//对头删除
void QueuePop(Queue* qp);
//取头和尾的数据
QDatatype QueueFront(Queue* qp);
QDatatype QueueBack(Queue* qp);
//获取队列元素个数
int QueueSize(Queue* qp);
//判空
bool QueueEmpty(Queue* qp);

3. 队列的实现

队列的实现用单链表就能很好的解决

创建三个文件
头文件：Queue.h
源文件：
Queue.c
test.c(测试功能是否能实现)

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
typedef int QDatatype;
typedef struct QNode
{
	struct Queue* next;
	QDatatype val;
}QNode;
typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;//可以提高效率，删除就减去size，插入就增加size
}Queue;
//初始化Queue
//销毁
void QueueInit(Queue* qp);
void QueueDestroy(Queue* qp);
//void QueuePush(Queue** phead, Queue** ptail， QDatatype x);
//void QueuePop(Queue** phead, Queue** ptail);
//队尾插入和对头删除需要标记节点，还有更简便的方法，再创建一个结构体，名为Queue
//改变结构体的内容只需要传一级指针就行
//队尾插入
void QueuePush(Queue* qp, QDatatype x);
//对头删除
void QueuePop(Queue* qp);
//取头和尾的数据
QDatatype QueueFront(Queue* qp);
QDatatype QueueBack(Queue* qp);
//获取队列元素个数
int QueueSize(Queue* qp);
//判空
bool QueueEmpty(Queue* qp);

#define   _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
//初始化
//销毁
void QueueInit(Queue* qp)
{
	assert(qp);
	qp->phead = NULL;
	qp->ptail = NULL;
	qp->size = 0;
}
void QueueDestroy(Queue* qp)
{
	assert(qp);
	QNode* cur = qp->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	//释放完空间后需要把phead和ptail置空，不然就为野指针了
	qp->phead = NULL;
	qp->ptail = NULL;
	qp->size = 0;
}

//队尾插入
void QueuePush(Queue* qp, QDatatype x)
{
	assert(qp);

	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(1);
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->val = x;
	//一个节点都没有
	if (qp->phead == NULL)
	{
		qp->phead = qp->ptail = newnode;
	}
	//有一个节点
	else
	{
		qp->ptail->next = newnode;//newnode成为新的尾
		qp->ptail = newnode;
	}
	qp->size++;
}
//对头删除
void QueuePop(Queue* qp)
{
	assert(qp);
	assert(qp->size != 0);
	if (qp->size == 1)//只剩一个节点
	{
		free(qp->phead);
		qp->phead = qp->ptail = NULL;//避免野指针
	}
	else//多个节点
	{
		QNode* next = qp->phead->next;
		free(qp->phead);
		qp->phead = next;
	} 
	qp->size--;
}
	//取头和尾的数据
QDatatype QueueFront(Queue * qp)
{
	assert(qp);
	return qp->phead->val;
}
QDatatype QueueBack(Queue * qp)
{
	assert(qp);
	assert(qp->phead);
	return qp->ptail->val;
}
int QueueSize(Queue* qp)
{
	assert(qp);
	assert(qp->ptail);
	return qp->size;//因为记录了size，所以直接返回size就行，不用遍历
}
bool QueueEmpty(Queue* qp)
{
	assert(qp);
	return qp->size == 0;
}