4.2较难的栈和队列OJ

news2024/11/13 22:16:47

本篇博客来手撕三道稍有难度的栈和队列相关OJ，题目均已插入超链接，点击即可跳转~

一、设计循环队列

1、题目描述

设计你的循环队列实现。 循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出，即first in first out）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。
循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。
描述

2、题目分析

（1）思路

这里采用数组的结构实现，核心问题就是解决下标的回绕问题，防止下标越界，怎么在走到数组尾部的时候绕回头部去，实现出循环的效果

  1. k：空间的大小
  2. 定义变量head和tail：head指向队头数据，tail指向队尾数据的下一个位置
  3. push表示插入，pop表示删除
①先感受一下插入数据和删除数据时head和tail的变化

插入和删除过程head和tail的变化

②关键问题

如何判断数组是空的还是满的？
空数组or满数组
不难看出，不论数组是空的还是满的，下标特点都是head=tail。为了区分数组是满的还是空的，我们可以多开辟一个空间，但是数组能存储的最大数据量不变，以此进行区分
我们再来感受一下进行插入删除操作时下标的变化情况额外多开一个空间
注意:要小心（tail+1）越界的情况，单独拿出来讨论一下：当tail位于下标为k处时，head位于下标为0处，如图所示
特殊情况
这样子判断队列是空还是满的就实现出来了

//判空，为空返回true
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(obj->head==obj->tail)
        return true;
    return false;
    
}

//判满，满了返回true
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) 
{
    //if(obj->head==(obj->tail+1)%(obj->k+1))
        //return true;
    if((obj->head==obj->tail+1)||(obj->head==0&&obj->tail==obj->k))//当tail位于k处单独讨论，此时head位于下标为0处
        return true;
    else
        return false;
}

（2）具体代码实现

其余函数同样要注意head和tail的越界问题，解决好回绕的功能即可
具体题解如下

typedef struct 
{
    int*arr;
    int head;
    int tail;//指向最后一个元素的下一个位置
    int k;//数组的空间大小
} MyCircularQueue;

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj);
//创建循环队列
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) 
{
    MyCircularQueue* queue=(MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    queue->arr=(int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
    queue->k=k;
    queue->head=queue->tail=0;
    return queue;
}

//向循环队列中尾插一个元素，如果成功则返回真
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) 
{
    if(myCircularQueueIsFull(obj))//判满
        return false;
    obj->arr[obj->tail]=value;
    if(obj->tail==obj->k)//直接obj->tail++会导致越界，要回绕到数组头部
        obj->tail=0;
    else
        obj->tail++;
    return true;
}

//头删
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))//空队列
        return false;
    else
        if(obj->head==obj->k)//解决回绕问题
            obj->head=0;
        else
            obj->head++;
    return true;
}

//获取队首元素，如果为空返回-1
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    return obj->arr[obj->head];
}

//获取队尾元素，如果为空返回-1
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))//判空
        return -1;
    if(obj->tail==0)//注意obj->tail的特殊情况(即回绕问题)
        return obj->arr[obj->k];
    else
        return obj->arr[obj->tail-1];
}   

//判空，为空返回true
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(obj->head==obj->tail)
        return true;
    return false;
    
}

//判满，满了返回true
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) 
{
    //if(obj->head==(obj->tail+1)%(obj->k+1))
        //return true;
    if((obj->head==obj->tail+1)||(obj->head==0&&obj->tail==obj->k))//当tail位于k处单独讨论，此时head位于下标为0处
        return true;
    else
        return false;
}

//销毁队列
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) 
{
    free(obj->arr);
    free(obj);
    obj=NULL;
    
}

二、用队列实现栈

1、题目描述

请你仅使用两个队列实现一个后入先出（LIFO）的栈，并支持普通栈的全部四种操作（push、top、pop 和 empty）。
C语言本身并没有实现队列，需要将我们自己实现好的队列拿过来（在4.1中有队列的实现）

2、题目分析

（1）思路：保持只有一个队列有数据

  • 在不为空的队列入数据
  • 出数据时，把目标数据前面的数据导入到空队列里
    经过这两步操作，即可完成栈（即后进先出）的效果
    思路分析

（2）所有结构体之间的关系

所有结构体之间的关系
（3）具体代码实现

//Queue.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
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;
//Queue.c
// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* pq, QDataType data)
{
	assert(pq);
	if (pq->phead == NULL)//空队列
	{
		QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
		if (newnode == NULL)
		{
			perror("malloc failed!");
			return;
		}
		newnode->next = NULL;
		newnode->data = data;

		pq->phead = newnode;
		pq->ptail = pq->phead;
		pq->size++;
	}
	else
	{
		QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
		if (newnode == NULL)
		{
			perror("malloc failed!");
			return;
		}
		newnode->next = NULL;
		newnode->data = data;

		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
		pq->size++;
	}
}

// 队头出队列（头删）
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	if (pq->phead->next == NULL)//只有一个节点
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
		pq->size = 0;
	}
	else
	{
		QNode* del = pq->phead;
		pq->phead = pq->phead->next;
		free(del);
		del = NULL;
		pq->size--;
	}
}

// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead->data;
}

// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->ptail->data;
}

// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* pq)
{
	return pq->size;
}

// 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* pq)
{
	if (pq->size == 0)
	{
		return 1;
	}
	else
	{
		return 0;
	}
}

// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	QNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QNode* del = pcur;
		pcur = pcur->next;
		free(del);
		del = NULL;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

typedef struct 
{
    Queue q1;
    Queue q2;
} MyStack;


MyStack* myStackCreate() 
{
    MyStack*stack=(MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(&stack->q1);
    QueueInit(&stack->q2);
    return stack;
}
//将元素x压入栈顶
void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        QueuePush(&obj->q1,x);
    }
    else
    {
        QueuePush(&obj->q2,x);

    }
}
//移除并返回栈顶元素
int myStackPop(MyStack* obj) 
{
    Queue* Empty=&(obj->q1);
    Queue* notEmpty=&(obj->q2);
    if(QueueEmpty(&obj->q2))
    {
        Empty=&(obj->q2);
        notEmpty=&(obj->q1);
    }
    //此时Empty是空队列，notEmpty是非空队列
    while(QueueSize(notEmpty)>1)//把非空链表除最后一个元素以外的其它元素导入到空链表中
    {
        QueuePush(Empty, QueueFront(notEmpty));
        QueuePop(notEmpty);
    }
    int tmp = QueueFront(notEmpty);
    QueuePop(notEmpty);
    return tmp;
}
//返回栈顶元素
int myStackTop(MyStack* obj) 
{
    if(QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        return QueueBack(&obj->q2);
    }
    else
    {
        return QueueBack(&obj->q1);
    }
    
}
//判空
bool myStackEmpty(MyStack* obj) 
{
    if(QueueEmpty(&obj->q1)&&QueueEmpty(&obj->q2))
        return true;
    else
        return false;
}
//销毁栈
void myStackFree(MyStack* obj) 
{
    free(obj);
}

三、用栈实现队列

1、题目描述

请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作（push、pop、peek、empty）

2、题目分析

（1）思路

和上一道题类似，可以采用导数据的操作。建立两个栈pushst（用来入数据）和popst（用来出数据），本题也需要把自己实现好的栈拿过来（4.1中有栈的实现）

先来感受一下插入删除时数据的变化情况
数据变化情况
不难看出，在入数据的时候放入pushst，出数据在popst，若popst为空，则重新导入数据，这样子操作下来数据就满足了队列(后进后出)的要求

（2）具体代码实现

//Stack.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);

//Stack.c
void StackInit(Stack* ps)// 初始化栈 
{
	assert(ps);
	ps->_a = NULL;
	ps->_top = 0;
	ps->_capacity = 0;
}

void StackPush(Stack* ps, STDataType data)//入栈
{
	assert(ps);
	if (ps->_capacity == ps->_top)
	{
		int newcapacity = ps->_capacity == 0 ? 4 : ps->_capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->_a,newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc failed!");
			return;
		}
		ps->_a = tmp;
		ps->_capacity = newcapacity;
	}
	ps->_a[ps->_top] = data;
	ps->_top++;
}

void StackPop(Stack* ps)//出栈
{
	assert(ps);
	assert(ps->_top > 0);
	ps->_top--;
}

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

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

bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
    if(ps->_top  == 0)
    {
        return true;
    }
    return false;
}

void StackDestroy(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->_capacity =  0;
	ps->_top = 0;
	free(ps->_a);
	ps->_a = NULL;
}




typedef struct 
{
    Stack pushst;
    Stack popst;
} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() //初始化自己的队列
{
    MyQueue* obj=(MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    StackInit(&obj->pushst);
    StackInit(&obj->popst);
    return obj;
}

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) 
{
    StackPush(&obj->pushst, x);
}

int myQueuePop(MyQueue* obj) //从队列的开头移除并返回元素
{
    //此处可以直接调用myQueuePeek函数来获取队列开头的元素
    int top = myQueuePeek(obj);
    StackPop(&obj->popst);//popst栈顶元素出栈
    return top;
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj)//返回队列开头的元素 
{
    if(StackEmpty(&obj->popst))//popst中没有数据，此时要从pushst导入数据到popst当中
    {
        while(!StackEmpty(&obj->pushst))
        {
            int tmp =  StackTop(&obj->pushst);
            StackPush(&obj->popst, tmp);
            StackPop(&obj->pushst);
        }
    }
    int top = StackTop(&obj->popst);
    return top;
}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) 
{
    if(StackEmpty(&obj->pushst)&&StackEmpty(&obj->popst))
    {
        return true;
    }
    return false;
    
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) 
{
    StackDestroy(&obj->pushst);
    StackDestroy(&obj->popst);
    free(obj);
}

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