文章目录
- 🎯引言
- 👓栈和队列
- 1.栈
- 1.1栈的概念与结构
- 1.2栈的实现
- 2.队列
- 2.1队列的概念与结构
- 2.2队列的实现
- 🥇结语
🎯引言
欢迎来到HanLop博客的C语言数据结构初阶系列。在之前的文章中，我们详细介绍了链表及其操作方法。在本篇文章中，我们将深入探讨栈和队列这两种常见的数据结构。栈和队列虽然都是线性数据结构，但它们在数据的存取方式上有着显著的区别。栈是一种后进先出（LIFO, Last In First Out）的数据结构，而队列则是一种先进先出（FIFO, First In First Out）的数据结构。通过理解和掌握这两种数据结构，您将能更有效地管理数据，并为后续更复杂的数据结构和算法的学习打下坚实的基础。让我们一起开始探索栈和队列的奥秘吧！
👓栈和队列
1.栈
1.1栈的概念与结构
栈（Stack）是一种特殊的线性数据结构，它遵循“后进先出”（LIFO, Last In First Out）的原则。这意味着在栈中，最后一个被插入的数据将是第一个被取出的数据。
栈顶和栈底
栈顶和栈底是栈结构中两个重要的概念：
- 栈顶（Top）： 栈顶是指栈中最后一个被插入的元素的位置。在执行压栈（Push）和出栈（Pop）操作时，都是针对栈顶进行的。因此，栈顶是栈中唯一可以进行插入和删除操作的地方。
- 栈底（Bottom）： 栈底是指栈中第一个被插入的元素的位置。在一个空栈中，栈底和栈顶的指针都是相同的。随着新的元素不断压入栈中，栈顶的位置会发生变化，但栈底的位置始终保持不变。
图示结构:
1.2栈的实现
栈的实现主要有两种方式：
- 数组实现： 使用数组来存储栈中的元素。用数组相较于用链表更优一些
- 链表实现： 使用链表来存储栈中的元素。
Stack.h源码
//Stack.h文件中
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef int StackDataType;
typedef struct Stack
{
StackDataType* arr;
int top;
int capacity;
}Stack;
//初始栈
void StackInit(Stack* ps);
//销毁栈
void StackDestory(Stack* ps);
//入栈
void StackPush(Stack* ps, StackDataType x);
//判断栈是否为空
bool IsEmpty(Stack* ps);
//取出栈顶元素
StackDataType StackTop(Stack* ps);
//获取链表有效个数
int StackSize(Stack* ps);
//出栈
void StackPop(Stack* ps);
Stack.c源码
#include "Stack.h"
//初始栈
void StackInit(Stack* ps)
{
assert(ps);
ps->arr = NULL;
ps->capacity = ps->top = 0;
}
//入栈
void StackPush(Stack* ps, StackDataType x)
{
assert(ps);
//检查容量
if (ps->top == ps->capacity)
{
int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
StackDataType* tmp = (StackDataType*)realloc(ps->arr,sizeof(StackDataType) * newcapacity);
if (tmp != NULL)
{
ps->arr = tmp;
ps->capacity = newcapacity;
}
else
{
exit(1);
}
}
ps->arr[ps->top] = x;
ps->top++;
}
//判断栈是否为空
bool IsEmpty(Stack* ps)
{
return ps->top == 0;
}
//出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
assert(ps);
assert(!IsEmpty(ps));
ps->top--;
}
//取出栈顶元素
StackDataType StackTop(Stack* ps)
{
assert(ps);
assert(!IsEmpty(ps));
return ps->arr[ps->top - 1];
}
//获取链表有效个数
int StackSize(Stack* ps)
{
return ps->top;
}
//销毁
void StackDestory(Stack* ps)
{
assert(ps);
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
ps->capacity = ps->top = 0;
}
函数实现详解:
1. 初始化栈 StackInit(Stack* ps)
void StackInit(Stack* ps)
{
assert(ps);
ps->arr = NULL;
ps->capacity = ps->top = 0;
}
功能
初始化栈，确保栈的所有成员变量都有合理的初始值。
实现细节
- 使用
assert(ps)检查传入的栈指针ps是否为NULL。 - 将栈的数组指针
arr设为NULL，表示栈中没有元素。 - 将栈的容量
capacity和栈顶指针top都设为 0，表示栈是空的。
2. 入栈 StackPush(Stack* ps, StackDataType x)
void StackPush(Stack* ps, StackDataType x)
{
assert(ps);
// 检查容量
if (ps->top == ps->capacity)
{
int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
StackDataType* tmp = (StackDataType*)realloc(ps->arr, sizeof(StackDataType) * newcapacity);
if (tmp != NULL)
{
ps->arr = tmp;
ps->capacity = newcapacity;
}
else
{
exit(1);
}
}
ps->arr[ps->top] = x;
ps->top++;
}
功能
将一个元素压入栈顶，如果栈的容量不足，则动态扩展栈的容量。
实现细节
- 使用
assert(ps)检查传入的栈指针ps是否为NULL。 - 检查栈的容量是否足够，如果栈顶指针
top等于当前容量capacity，表示容量已满。 - 如果容量已满，计算新的容量：如果当前容量为 0，则设为 4，否则容量翻倍。
- 使用
realloc动态分配新的内存空间，并将原有元素复制到新空间。 - 检查
realloc是否成功，如果成功则更新栈的数组指针arr和容量capacity，否则退出程序。 - 将新元素放入栈顶位置，并更新栈顶指针
top。
3. 判断栈是否为空 IsEmpty(Stack* ps)
bool IsEmpty(Stack* ps)
{
return ps->top == 0;
}
功能
检查栈是否为空。
实现细节
- 检查栈顶指针
top是否为 0，如果是，则表示栈为空，返回true，否则返回false。
4. 出栈 StackPop(Stack* ps)
void StackPop(Stack* ps)
{
assert(ps);
assert(!IsEmpty(ps));
ps->top--;
}
功能
从栈顶移除一个元素。
实现细节
- 使用
assert(ps)检查传入的栈指针ps是否为NULL。 - 使用
assert(!IsEmpty(ps))确保栈不为空，否则操作无效。 - 将栈顶指针
top减一，表示移除了栈顶元素。
5. 取出栈顶元素 StackTop(Stack* ps)
StackDataType StackTop(Stack* ps)
{
assert(ps);
assert(!IsEmpty(ps));
return ps->arr[ps->top - 1];
}
功能
返回栈顶元素的值，但不移除该元素。
实现细节
- 使用
assert(ps)检查传入的栈指针ps是否为NULL。 - 使用
assert(!IsEmpty(ps))确保栈不为空，否则操作无效。 - 返回栈顶元素，即数组中索引为
top - 1位置的元素。
6. 获取栈中有效元素个数 StackSize(Stack* ps)
int StackSize(Stack* ps)
{
return ps->top;
}
功能
返回栈中当前元素的个数。
实现细节
- 直接返回栈顶指针
top的值，因为top指示了栈中元素的个数。
7. 销毁栈 StackDestory(Stack* ps)
void StackDestory(Stack* ps)
{
assert(ps);
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
ps->capacity = ps->top = 0;
}
功能
释放栈的内存，并重置栈的所有成员变量。
实现细节
- 使用
assert(ps)检查传入的栈指针ps是否为NULL。 - 使用
free释放栈的数组指针arr指向的内存。 - 将
arr设为NULL，防止悬空指针。 - 将栈的容量
capacity和栈顶指针top都设为 0，重置栈。
2.队列
2.1队列的概念与结构
队列（Queue）是一种线性数据结构，它遵循“先进先出”（FIFO, First In First Out）的原则。队列中的元素总是从队尾插入，从队头删除。换句话说，第一个插入的元素也是第一个被删除的元素。
队头和队尾
- 队头（Front）： 队头是指队列中最早插入的元素所在的位置。在执行出队（Dequeue）操作时，元素从队头移除。
- 队尾（Rear）： 队尾是指队列中最后插入的元素所在的位置。在执行入队（Enqueue）操作时，元素插入到队尾。
图示:
2.2队列的实现
队列的实现主要有两种方式：
- 数组实现： 使用数组来存储队列中的元素。出队的时候要移动数据,时间复杂度较高不建议使用
- 链表实现： 使用链表来存储队列中的元素。出队时间复杂度O(1),下面将会用链表的方式实现队列
Queue.h源码
//Queue.h文件中
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef int QueueDataType;
typedef struct QueueNode
{
QueueDataType x;
struct QueueNode* next;
}QueueNode;
typedef struct Queue
{
QueueNode* phead;
QueueNode* ptail;
int size;
}Queue;
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);
//队列判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//入队列,队尾
void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x);
//出队列,队头
void QueuePop(Queue* pq);
//取队头数据
QueueDataType QueueFront(Queue* pq);
//取队尾数据
QueueDataType QueueBack(Queue* pq);
//队列的有效个数
int QueueSize(Queue* pq);
定义数据类型
typedef int QueueDataType;
功能： 定义队列数据类型。
说明： 使用 typedef 将 int 类型定义为 QueueDataType，这样如果以后需要更改队列存储的数据类型，只需要修改这一行即可。
定义队列节点结构体
typedef struct QueueNode
{
QueueDataType x;
struct QueueNode* next;
} QueueNode;
功能： 定义队列节点结构体。
说明：
QueueDataType x：存储节点数据。struct QueueNode* next：指向下一个节点的指针。
定义队列结构体
typedef struct Queue
{
QueueNode* phead;
QueueNode* ptail;
int size;
} Queue;
功能： 定义队列结构体。
说明：
QueueNode* phead：指向队列头部节点的指针。QueueNode* ptail：指向队列尾部节点的指针。int size：记录队列中元素的个数。
Queue.c源码
//Queue.c文件中
#include "Queue.h"
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
pq->size = 0;
pq->phead = pq->ptail = NULL;
}
//队列判空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
return pq->phead == NULL;
}
//入队列,队尾
void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x)
{
assert(pq);
QueueNode* newNode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
newNode->next = NULL;
newNode->x = x;
if (newNode == NULL)
{
perror("malloc fail");
exit(1);
}
if ((pq->phead == NULL)&&(pq->ptail==NULL))
{
pq->phead = pq->ptail = newNode;
}
else
{
pq->ptail->next = newNode;
pq->ptail = pq->ptail->next;
}
pq->size++;
}
//出队列,队头
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
QueueNode* del = pq->phead;
if (pq->phead == pq->ptail)
{
pq->phead = pq->ptail = NULL;
free(del);
del = NULL;
}
else
{
pq->phead = pq->phead->next;
free(del);
del = NULL;
}
pq->size--;
}
//取队头数据
QueueDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->phead->x;
}
//取队尾数据
QueueDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->ptail->x;
}
//队列的有效个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
return pq->size;
}
函数实现详解
1. QueueInit
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
pq->size = 0;
pq->phead = pq->ptail = NULL;
}
功能： 初始化队列，将队列的头指针和尾指针都设为 NULL，并将队列大小设为 0。
参数： Queue* pq：指向队列结构体的指针。
返回值： 无。
实现过程：
- 使用
assert确保传入的指针不为空。 - 将队列的头指针和尾指针都设为
NULL。 - 将队列的大小设为 0。
2. QueueEmpty
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
return pq->phead == NULL;
}
功能： 检查队列是否为空。
参数： Queue* pq：指向队列结构体的指针。
返回值： bool：如果队列为空，返回 true；否则返回 false。
实现过程：
- 检查队列的头指针是否为
NULL。如果是，则队列为空，返回true；否则返回false。
3. QueuePush
void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x)
{
assert(pq);
QueueNode* newNode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
newNode->next = NULL;
newNode->x = x;
if (newNode == NULL)
{
perror("malloc fail");
exit(1);
}
if ((pq->phead == NULL) && (pq->ptail == NULL))
{
pq->phead = pq->ptail = newNode;
}
else
{
pq->ptail->next = newNode;
pq->ptail = pq->ptail->next;
}
pq->size++;
}
功能： 将新元素插入到队列的尾部。
参数： Queue* pq：指向队列结构体的指针；QueueDataType x：要插入的元素。
返回值： 无。
实现过程：
- 使用
assert确保传入的指针不为空。 - 使用
malloc分配一个新的节点，并检查内存分配是否成功。如果分配失败，打印错误信息并退出程序。 - 将新节点的
next指针设为NULL，并将数据x存储在新节点中。 - 检查队列是否为空（头指针和尾指针都为
NULL），如果为空，将新节点设为头节点和尾节点。 - 如果队列不为空，将新节点添加到队列尾部，并更新尾指针。
- 增加队列的大小。
4. QueuePop
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
QueueNode* del = pq->phead;
if (pq->phead == pq->ptail)
{
pq->phead = pq->ptail = NULL;
}
else
{
pq->phead = pq->phead->next;
}
free(del);
pq->size--;
}
功能： 删除队列头部的元素。
参数： Queue* pq：指向队列结构体的指针。
返回值： 无。
实现过程：
- 使用
assert确保传入的指针不为空且队列不为空。 - 保存头节点的指针。
- 如果头节点和尾节点相同，将头尾指针都设为
NULL。 - 否则，将头指针指向下一个节点。
- 释放头节点的内存，并减少队列大小。
5. QueueFront
QueueDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->phead->x;
}
功能： 获取队列头部的元素，但不删除。
参数： Queue* pq：指向队列结构体的指针。
返回值： QueueDataType：队列头部的元素。
实现过程：
- 使用
assert确保传入的指针不为空且队列不为空。 - 返回头节点的数据。
6. QueueBack
QueueDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->ptail->x;
}
功能： 获取队列尾部的元素，但不删除。
参数： Queue* pq：指向队列结构体的指针。
返回值： QueueDataType：队列尾部的元素。
实现过程：
- 使用
assert确保传入的指针不为空且队列不为空。 - 返回尾节点的数据。
7. QueueSize
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
return pq->size;
}
功能： 获取队列中的元素个数。
参数： Queue* pq：指向队列结构体的指针。
返回值： int：队列的大小。
实现过程：
- 使用
assert确保传入的指针不为空。 - 返回队列的大小。
🥇结语
通过本篇文章的学习，我们了解了栈和队列的基本概念、操作方法及其应用场景。栈作为后进先出的数据结构，常用于递归算法和回溯问题的解决，而队列作为先进先出的数据结构，则在任务调度和广度优先搜索中有着重要应用。希望通过本文的讲解，您能掌握栈和队列的使用技巧，并在实际编程中灵活应用。下一篇文章，我们将继续探讨更为复杂的数据结构，敬请期待！
