初级数据结构——栈和队列

news2024/12/28 21:01:55

目录

    • 1.栈
      • 栈的概念及结构
      • 栈的实现
      • 栈的结构
      • 初始化栈
      • 入栈
      • 出栈
      • 获取栈顶元素
      • 获取栈中有效元素个数
      • 检测栈是否为空
      • 销毁栈
      • Stack.h
      • Stack.c
      • Test.c
    • 2.队列
      • 队列的概念及结构
      • 队列的实现
      • 队列的结构
      • 初始化队列
      • 队尾入队列
      • 队头出队列
      • 获取队列头部元素
      • 获取队列队尾元素
      • 获取队列中有效元素个数
      • 检测队列是否为空
      • 销毁队列
      • Queue.h
      • Queue.c

1.栈

栈的概念及结构

栈：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端称为栈顶，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。

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，cpu缓存命中率更高。

在这里插入图片描述
因为栈和队列的性质，所以就不写print函数打印栈，栈出数据就只能后进先出，取栈顶元素，然后出栈

栈的结构

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

初始化栈

void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);
	pst->a = NULL;

	//pst->top = -1;   // top 指向栈顶数据
	pst->top = 0;   // top 指向栈顶数据的下一个位置

	pst->capacity = 0;
}

对top的赋值要注意top的指向

如果top初始值为0，那么赋值时pst->a[pst->top++]=x
在这里插入图片描述

如果top初始值为-1，那么赋值时pst->a[++pst->top]=x
在这里插入图片描述

入栈

void STPush(ST* pst, STDataType x)
{
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newCapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}

		pst->a = tmp;
		pst->capacity = newCapacity;
	}

	pst->a[pst->top] = x;
	pst->top++;
}

出栈

void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));

	pst->top--;
}

获取栈顶元素

STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));

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

写获取栈顶元素的函数是有必要的，如果想通过结构体直接访问结构体中数据，是不好的，（容易写错）比如：ST st; st.a[st.top]（错误的写法） 这样使用的人成本高，因为他不知道top是指向栈顶元素还是指向栈顶元素的下一个位置，还得很熟悉栈，不熟悉的人看到top初始化的时候是0会以为top就是栈顶元素，然后st.a[st.top]得了个随机值。

获取栈中有效元素个数

int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);

	return pst->top;
}

检测栈是否为空

bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);

	/*if (pst->top == 0)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}*/

	return pst->top == 0;
}

销毁栈

void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);

	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
	pst->top = pst->capacity = 0;
}

Stack.h

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

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

void STInit(ST* pst);
void STDestroy(ST* pst);
void STPush(ST* pst, STDataType x);
void STPop(ST* pst);
STDataType STTop(ST* pst);
bool STEmpty(ST* pst);
int STSize(ST* pst);

Stack.c

#include "Stack.h"

void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);
	pst->a = NULL;

	//pst->top = -1;   // top 指向栈顶数据
	pst->top = 0;   // top 指向栈顶数据的下一个位置

	pst->capacity = 0;
}

void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);

	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
	pst->top = pst->capacity = 0;
}

void STPush(ST* pst, STDataType x)
{
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newCapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newCapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			return;
		}

		pst->a = tmp;
		pst->capacity = newCapacity;
	}

	pst->a[pst->top] = x;
	pst->top++;
}

void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));

	pst->top--;
}

STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));

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

bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);

	/*if (pst->top == 0)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}*/

	return pst->top == 0;
}

int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);

	return pst->top;
}

Test.c

因为栈和队列的性质，所以就不写print函数打印栈，栈出数据就只能后进先出，取栈顶元素，然后出栈

void TestStack1()
{
	ST st;
	STInit(&st);
	STPush(&st, 1);
	STPush(&st, 2);
	printf("%d ", STTop(&st));
	STPop(&st);

	STPush(&st, 3);
	STPush(&st, 4);
	while (!STEmpty(&st))
	{
		printf("%d ", STTop(&st));
		STPop(&st);
	}

	STDestroy(&st);
}

int main()
{
	TestStack1();

	return 0;
}

2.队列

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) 的原则
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

因为出队列需要头删，所以数组不适合实现队列
在这里插入图片描述

队列的结构

要定义两个结构
一个是节点，因为要组成链表，然后看单链表能不能解决问题，如果不能则用双向链表，这里用单链表就可以。
另一个结构是两个指针和记录个数的size，因为，在队尾插入，队头删除，需要两个指针，还需要一个size，不要size也可以，但是当我们需要个数的时候就要遍历才能获取(效率就低了)，在栈的实现中可以通过top获取个数也就不需要size。

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

typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;

初始化队列

设计函数的时候不需要二级指针，比如在插入的时候需要改变头尾指针，但是我们不是直接传的头尾指针，头尾指针是放在结构体Queue中的，要改变结构体中的成员，可以通过结构体指针。

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = 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\n");
		return;
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	if (pq->ptail == NULL)
	{
		assert(pq->phead == NULL);

		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}


	pq->size++;
}

队头出队列

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	// 1、一个节点
	// 2、多个节点
	if (pq->phead->next == NULL)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		// 头删
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}

	pq->size--;
}

获取队列头部元素

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

	return pq->phead->data;
}

获取队列队尾元素

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

	return pq->ptail->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

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	/*return pq->phead == NULL
		&& pq->ptail == NULL;*/
	return pq->size == 0;
}

销毁队列

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

Queue.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* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;

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

Queue.c

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);

	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n");
		return;
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	if (pq->ptail == NULL)
	{
		assert(pq->phead == NULL);

		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}


	pq->size++;
}

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	// 1、一个节点
	// 2、多个节点
	if (pq->phead->next == NULL)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		// 头删
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}

	pq->size--;
}

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

	return pq->phead->data;
}

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

	return pq->ptail->data;
}

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

	return pq->size;
}

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	/*return pq->phead == NULL
		&& pq->ptail == NULL;*/
	return pq->size == 0;
}

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