栈和队列（二） 队列的实现，用栈实现队列，用队列实现栈，设计循环队列

news2025/2/28 20:12:13

文章目录

  • 队列的实现
  • 用队列实现栈
  • 用栈实现队列
  • 设计循环队列

队列的实现

这里的队列我们使用链式队列，好处就是可以很方便的取出队头的元素。
使用顺序队列取出队头元素所花费的时间复杂度为O（N），把后面的元素向前移动一个下标所花费的时间。
链式队列的存储结构：

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

typedef int QueueDataType;
//节点类型
typedef struct QueueNode
{
	QueueDataType data;
	struct QueueNode* next;
}QNode;
//队列类型
typedef struct Queue
{
	QNode* phead;  //头指针
	QNode* ptail;  //尾指针   使用头指针和尾指针来实现队列的删除和插入操作。
	int size;
}Que;

接口函数的实现
`

void QueueInit(Que* pq);
void QueueDestory(Que* pq);
void QueuePush(Que* pq, QueueDataType x);
void QueuePop(Que* pq);
QueueDataType QueueFront(Que* pq);
QueueDataType QueueBack(Que* pq);
int QueueSize(Que* pq);
bool QueueEmpty(Que* pq);

//实现

//初始化队列
void QueueInit(Que* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

//销毁队列，这里相当于单链表的销毁，一个节点一个节点销毁
void QueueDestory(Que* pq)
{
	assert(pq);
	//删除链式队列
	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
}

//相当于单链表的尾插，先新建一个节点，初始化这个节点，尾插到队列中，这里考虑两种情况，队列为空和不为空的情况
void QueuePush(Que* pq, QueueDataType x)
{
	assert(pq);
	//新建节点
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc failed!\n");
		return;
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	//考虑此时的队列为空
	if (pq->ptail == NULL)
	{
		assert(pq->phead == NULL);
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		//不为空时，把newnode赋值给phead->next,然后ptail = newnode
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}
//相当于单链表的头删。需要考虑两种情况，队列为空就不可以删除，队列不为空只有一个节点phead和ptail都要赋值成NULL，否则会出现ptail为野指针的情况，多个节点时，相当于单链表的头删，
void QueuePop(Que* pq)
{
	//相当于单链表的头删
	assert(pq);
	//处理队列为空的情况
	assert(!QueueEmpty(pq));
	//处理只有一个节点的情况
	if (pq->phead->next == NULL)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else   //考虑多个节点的情况
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}
QueueDataType QueueFront(Que* pq)
{
	assert(pq);
	//处理队列为空的情况
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}
//返回队列的尾部元素，这里会在用队列实现栈的时候用到
QueueDataType QueueBack(Que* pq)
{
	assert(pq);
	//处理队列为空的情况
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}
int QueueSize(Que* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size;
}
bool QueueEmpty(Que* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == NULL && pq->ptail == NULL;
	//return pq->size == 0;
}

用队列实现栈

leetcode做题链接在这里插入图片描述

主要思想：用两个队列来实现一个栈的功能，先进后出，后进先出的功能，我们可以这样，在不为空的队列里入数据，然后再把数据前n-1个数数据倒入另一个队列中，具体的过程用图展示：

第一步：准备两个队列，开始入数据
在这里插入图片描述
第二步：往不为空的队列里入数据，如果两个都为空，任选一个入数据
push 四次。可得队列中的数据如下图所示：
在这里插入图片描述
第三步：出数据，需要先把q1中的数据1、2、3倒入q2中，然后使用QueueBack()接口获取队尾数据4。
在这里插入图片描述
以上就是出数据和入数据的过程。
具体代码如下：

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


MyStack* myStackCreate() {
   MyStack* obj = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
   if(obj == NULL)
   {
       perror("malloc failed!\n");
       return NULL;
   }
   QueueInit(&obj->q1);
   QueueInit(&obj->q2);

   return obj;
}

void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        QueuePush(&obj->q1,x);   //入数据，往不为空的队列里如数据
    }
    else
    {
        QueuePush(&obj->q2,x);
    }
}

int myStackPop(MyStack* obj) {
    //假设为空
    Que* pEmptyQ = &obj->q1;
    Que* pNonEmptyQ = &obj->q2;
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        pEmptyQ = &obj->q2;
        pNonEmptyQ = &obj->q1;
    }
    //倒数据,把非空队列的数据导入空队列，剩余一个就是栈顶元素
    while(QueueSize(pNonEmptyQ)>1)
    {
        QueuePush(pEmptyQ, QueueFront(pNonEmptyQ));
        QueuePop(pNonEmptyQ);
    }
    int top = QueueFront(pNonEmptyQ);
    QueuePop(pNonEmptyQ);
    return top;
}

int myStackTop(MyStack* obj) {
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        return QueueBack(&obj->q1);
    }
    else
    {
        return QueueBack(&obj->q2);
    }
}

用栈实现队列

leetcode 做题链接
基本思想
使用两个栈，一个为入数据的栈，一个为出数据的栈，把数据入到入数据的栈，然后出数据到出数据的栈，基本方法如下：入队列1 2 3 4。
第一步：初始化两个栈。
在这里插入图片描述
第二步：入数据push 1 2 3 4
在这里插入图片描述
第三步：导数据到popst中
在这里插入图片描述
第四步：从popst中出数据
在这里插入图片描述
实现代码如下：

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


MyQueue* myQueueCreate() {
    MyQueue* obj = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    if(obj==NULL)
    {
        perror("malloc failed!\n");
        return NULL;
    }
    STInit(&obj->pushst);
    STInit(&obj->popst);
    return obj;
}

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

int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    int front = myQueuePeek(obj);
    STPop(&obj->popst);
    return front;
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    if(STEmpty(&obj->popst))
    {
        while(!STEmpty(&obj->pushst))
        {
            STPush(&obj->popst,STTop(&obj->pushst));
            STPop(&obj->pushst);
        }
    }
    return STTop(&obj->popst);
}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    return STEmpty(&obj->pushst)&&STEmpty(&obj->popst);
}

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

设计循环队列

leetcode做题链接
循环队列的要点：如何用一个顺序表实现一个循环队列，front为队头，rear为队尾，判满：rear + 1 == front为满，判空：rear == front 为空。
在这里插入图片描述
第一步，初始化一个队列，k为5，n为6
在这里插入图片描述
第二步：出队列 front++；再入数据 6、7。
在这里插入图片描述
此时的rear，跑到了front的前面，我们可以 让rear % （k+1）保持rear永远不会越界front也可以使用这个公式保证front永远不会越界
在这里插入图片描述
获取队尾元素的两种方法：
在这里插入图片描述

求元素的个数的方法： （rear - front + k+1）% （k+1）

具体的实现代码如下：

typedef struct {
    int front;
    int rear;
    int k;
    int* a;
} MyCircularQueue;


bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front == obj->rear;
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    return (obj->rear+1)%(obj->k+1) == obj->front;
}
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    if(obj == NULL)
    {
        perror("malloc failed!\n");
        return NULL;
    }
    obj->a = (int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
    if(obj->a == NULL)
    {
        perror("malloc failed!\n");
        return NULL;
    }
    obj->front = obj->rear = 0;
    obj->k = k;
    return obj;
}

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->a[obj->rear] = value;
    obj->rear++;
    obj->rear %= (obj->k+1);
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->front++;
    obj->front%=(obj->k+1);
    return true; 
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->a[obj->front];

}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    //return obj->a[(obj->rear+obj->k)%(obj->k+1)];
    if(obj->rear==0)
    {
        return obj->a[obj->k];
    }
    else
    {
        return obj->a[obj->rear-1];
    }
}


void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    free(obj->a);
    free(obj);
}

好的我们下一篇再见。

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