【数据结构】栈和队列 （栈 栈的概念结构 栈的实现 队列 队列的概念及结构 队列的实现 栈和队列面试题）

news2024/9/28 21:22:21

文章目录

  • 前言
  • 一、栈
    • 1.1 栈的概念结构
    • 1.2栈的实现
  • 二、队列
    • 2.1队列的概念及结构
    • 2.2队列的实现
  • 三、栈和队列面试题
  • 总结

前言

一、栈

1.1 栈的概念结构

栈也是一种线性表，数据在逻辑上挨着存储。只允许在固定的一端进行插入和删除元素。进行插入和删除操作的一端叫栈顶，另一端叫栈底。符合LIFO 先进后出。
在这里插入图片描述

压栈：插入操作。
出栈：删除操作。

1.2栈的实现

栈的实现用数组实现更好，因为完美符合数组的尾插尾删。
数组的缓存利用率高一点。
在这里插入图片描述
小练习：
在这里插入图片描述

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

入栈:进栈（栈的插入操作），若栈未满，则将x加入使之成为新栈顶。

void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		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] = x;
	ps->top++;
}

出栈:出栈（栈的删除操作），若栈非空，则弹出栈顶元素，并用x返回。

void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	--ps->top;
}

获取栈顶元素:

STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->a[ps->top - 1];
}

获取栈中有效元素个数:

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

销毁栈:栈销毁，并释放占用的存储空间

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

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(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

Stack.h

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

void StackInit(ST* ps);
void StackDestroy(ST* ps);
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
void StackPop(ST* ps);
STDataType StackTop(ST* ps);
bool StackEmpty(ST* ps);
int StackSize(ST* ps);

Stack.c

#include "Stack.h"

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

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

void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		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] = x;
	ps->top++;
}

void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	--ps->top;
}

STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->a[ps->top - 1];
}

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

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

二、队列

2.1队列的概念及结构

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。

2.2队列的实现

队列用链表的结构实现更优

在这里插入图片描述

链式结构：表示队列

typedef struct QListNode
{ 
 struct QListNode* _pNext; 
 QDataType _data; 
}QNode;

队列的结构：

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

初始化队列：

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

队尾入队列：

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	else
	{
		newnode->data = x;
		newnode->next = NULL;

	}

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

	pq->size++;
}

队头出队列：

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* del = pq->head;
		pq->head = pq->head->next;

		free(del);
		del = NULL;

	}
	pq->size--;
}

获取队列头部元素：

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->head->data;
}

获取队列队尾元素：

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->tail->data;
}

获取队列中有效元素个数：

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(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：

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

销毁队列：

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* del = cur;
		cur = cur->next;
		free(del);

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

Queue.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>

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

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

void QueueInit(Queue* pq);
void QueueDestroy(Queue* pq);
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
QDataType QueueFront(Queue* pq);
QDataType QueueBack(Queue* pq);
bool QueueEmpty(Queue* pq);
int QueueSize(Queue* pq);

Queue.c

#include"Queue.h"

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* del = cur;
		cur = cur->next;
		free(del);

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

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	else
	{
		newnode->data = x;
		newnode->next = NULL;

	}

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

	pq->size++;
}

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* del = pq->head;
		pq->head = pq->head->next;

		free(del);
		del = NULL;

	}
	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->head->data;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->tail->data;
}

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

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size;
}

三、栈和队列面试题

题目链接：
1.https://leetcode.cn/problems/valid-parentheses/
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

题目链接：
2.https://leetcode.cn/problems/implement-stack-using-queues/

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

总结

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