【(C语言)数据结构奋斗100天】栈和队列

news2024/11/23 1:19:18

前言

🏠个人主页：泡泡牛奶

🌵系列专栏：[C语言] 数据结构奋斗100天

本期所介绍的是栈和队列，那么什么是栈呢，什么是队列呢？在知道答案之前，请大家思考一下下列问题：

  1. 你如何理解物理结构和逻辑结构？
  2. 栈的规则是什么？
  3. 栈和队列最重要的基本操作有哪些？
  4. 什么是循环队列？

让我们带着这些问题，开始今天的学习吧( •̀ ω •́ )✧

文章目录

  • 前言
  • 一、物理结构？逻辑结构？
  • 二、栈 (stack)
    • 1. 什么是栈？
    • 2. 栈类型的定义
      • 1) 用链表来实现
      • 2) 用数组来实现
    • 3. 栈的基本操作
      • 1) 栈的初始化
      • 2) 栈的销毁
      • 3) 判断栈是否为空
      • 4) 栈的元素个数
      • 5) 取栈顶元素
      • 6) 压栈✨
      • 7) 出栈✨
  • 三、队列 (queue)
    • 1. 什么是队列？
    • 2. 队列类型的定义
      • 1) 用链表来实现
      • 2) 用数组来实现
    • 3. 队列的基本操作
      • 1) 队列的初始化
      • 2) 队列的销毁
      • 3) 判断队列是否为空
      • 4) 队列的元素个数
      • 5) 取队首元素
      • 6) 取队尾元素
      • 7) 入队✨
      • 8) 出队✨
    • 4. 循环队列
  • 四、小结

一、物理结构？逻辑结构？

物理结构是指的是数据在计算机内存中的存储方式。数组是在内存中连续存放，链表则是通过指针将各个节点的地址串连起来。前者随机访问速度快，后者插入删除效率高。

**逻辑结构指的是数据 在一定逻辑规则下限制 的组织方式。**逻辑结构往往需要通过物理结构加以规则限制来实现想要的功能。所以你也可以说逻辑结构是为了满足人的需求的一种结构。就例如我接下说的栈和队列。

总的来说，数据结构中的物理结构关注的是数据在计算机内存中的存储方式，而逻辑结构关注的是数据在逻辑上的组织方式。在使用数据结构时，通常需要考虑这两个方面，以便确定最合适的数据结构。

image-20221218234522635

二、栈 (stack)

1. 什么是栈？

要想了解什么是栈，我们可以用一个简单的例子。假设我们有一个羽毛球筒，一端封口，另一端开口。现在要往羽毛球筒里装羽毛球，先放入的靠近底部，后放入的靠近入口。

image-20221216175427689

现在我们将球装入球筒后，想将最里面的球拿出来，那么只能先将最靠近入口的球先拿出来。先放进去的后取出来，后放进去的先取出来。

image-20221216175922675

栈（stack）就像这个羽毛球筒，是一种特殊的线性表，满足一种先进后出（First In Last Out，简称FILO）限制规则。最早进入的元素存放在栈底（bottom），最后进入的元素在栈顶（top）。

知道了限制规则，我们可以用数组或者链表这些物理结构来实现。

栈若要用数组实现。只要压入的元素等于数组的容量，就要考虑扩容。

image-20221216234443748

栈若要用链表来实现。压栈的操作可以想象成头插，出栈的操作可以想象成头删，只要注意 没有元素时的处理就好了。

image-20221216234618043

2. 栈类型的定义

1) 用链表来实现

typedef int StackType;//定义元素类型，方便后续修改

typedef struct StackValue
{
    StackType value;
    struct StackValue* next;//指向下一个节点的地址
}StackValue;

typedef struct Stack
{
    size_t size;//方便确定栈的大小
    StackValue* top;//方便找到头节点
}Stack;

在接下来的内容中，不会有具体的代码展现，但是会提供用链表实现的思路（还是希望大家在学数据结构时能开阔自己的思维φ(゜▽゜*)♪

这样的写法只是给大家一个参考，如果在你看完本篇博客后有兴趣想用链表来实现栈，那么可以尝试一下( •̀ ω •́ )✧，不要只局限于一种物理结构上。

2) 用数组来实现

选用数组的原因：

  1. 尾插尾删效率很高，不用重复像内存申请空间再释放空间
  2. CPU高速缓存命中率更高。CPU在扫描时会按照一定大小(三级缓存)扫描缓存，因为数组是一块连续的空间，扫描时更容易一次性扫描完
typedef int StackType;//定义元素类型，方便后续修改

typedef struct Stack
{
    StackType* arr;
    size_t top;
    size_t capacity;
}Stack;

3. 栈的基本操作

1) 栈的初始化

从写代码接口的角度来看，任何简单的工作最好通过一个接口式函数来实现，因为使用者并不知道你的底层是如何实现的（万一使用的是链表来实现呢(oﾟvﾟ)ノ

  • 以数组为例，代码实现如下：
void stack_init(Stack* pst)
{
    assert(pst);
    
    pst->arr = NULL;
    pst->top = pst->capacity = 0;
}

2) 栈的销毁

为了防止内存的泄露，结束使用需要对栈进行销毁。

void stack_distory(Stack* pst)
{
    assert(pst);
    
    free(pst->arr);
    pst->arr = NULL;
    pst->capacity = pst->top = 0;
}

3) 判断栈是否为空

数组实现判断是否为空，只要看top是否为0。链表实现需要看top指向的地址是否为NULL

bool stack_empty(const Stack* pst)
{
    assert(pst);
    return pst->top == 0;
}

4) 栈的元素个数

我们设计的栈top表示的数组的下标，所以取元素个数的时候，需要+1

有些封装top直接表示元素个数，所以这就是封装的好处，随意暴露底层，底层的结构容易被破坏，使用者并不需要知道底层是什么（这里提一下，有些栈实现下标是从-1开始的，也许你会在某些地方看到，不要觉得奇怪（*＾-＾*）

size_t stack_size(const Stack* pst)
{
    assert(pst);
    return pst->top+1;
}

5) 取栈顶元素

因为我们设计的栈 top 表示的最后一个元素的数组下标，所以可以直接返回 arr[top]

StackType stack_top(const Stack* pst)
{
    assert(pst);
    
    return pst->arr[pst->top];
}

6) 压栈✨

栈的插入操作被叫做压栈/进栈/入栈（ push ），压入的数据在栈顶。

  • 以数组为例子：注意如果数组满了，要考虑开新空间

栈_1代码实现如下：

void stack_push(Stack* pst, StackType data)
{
    //断言指针有效性
    assert(pst);
    
    if (pst->top == pst->capacity)
    {
        //扩容
        size_t newcapacity = pst->capacity==0 ? 4 : 2*pst->capacity;
        StackType* tmp = (StackType*)realloc(pst->arr, newcapacity*sizeof(StackType));
        //检查扩容后指针的有效性
        if (tmp == NULL)
        {
            perror("push realloc fail");
            exit(-1);
        }
        pst->arr = tmp;
        pst->capacity = newcapacity;
    }
    
    pst->arr[pst->top] = data;
    ++pst->top;
}
  • 以链表为例：链表头插之后更新top指向的头节点就好了

栈_1_2

7) 出栈✨

栈元素的删除被叫做出栈（ pop ）。出栈就是要将栈顶的元素弹出，只有栈顶元素才允许出栈。

  • 以数组为例：数组不考虑缩容的操作，缩容代表你要重新申请空间，并将原来的数据拷贝回去，大大降低了效率。
栈_2_1

代码实现如下：

void stack_pop(Stack* pst)
{
    assert(pst);
    //判断栈不为空，这个函数下面会实现 pst->top == 0
    assert(!stack_empty(pst));
    
    --pst->top;
}
  • 以链表为例：将头节点删掉之后，更新top的节点（要注意当top指向为NULL时，说明已经栈为空的，不能继续删除。

栈_2_2

三、队列 (queue)

1. 什么是队列？

要知道什么时队列，我们同样可以用一个生活中的例子。假设有一排人排队打饭，食堂阿姨需要给这一排人打饭，不允许插队，那么新来的同学想打饭，只能排在队伍的后面。

image-20221217223910178

食堂阿姨给最前面的人打完饭之后，最前面的人就可以离开队伍。

image-20221217224404451

而队列就是这么一个道理，是一种特殊的线性表，队列的元素只能先进先出 ( First In First Out , 简称 FIFO )。队列的出口叫 队头( front ) ，队列的出口叫 队尾 (rear)

与栈类似，队列既可以用数组实现，也可以用链表来实现。但用数组实现时，为了入队操作方便，需要将队尾的位置规定为最后入队元素的下一个位置。

image-20221217225900445

队列的链表实现如下。

image-20221217230633889

2. 队列类型的定义

1) 用链表来实现

选用链表的原因：

  1. 插入数据操作方便
  2. 空间按需申请，节省空间，避免不必要的空间浪费
typedef int QueueType;

typedef struct QueueNode
{
    QueueType value;
    struct QueueNode* next;
}QueueNode;

typedef struct Queue
{
    QueueNode* front;
    QueueNode* rear;
    size_t size;
}Queue;

2) 用数组来实现

想要用数组来实现，当我们有多个元素时，要进行出队操作，可以移动front达到头删的操作，但假设元素有很多，那势必会造成不必要的空间浪费，在实际开发中不推荐使用（但在用C语言刷题的时候经常会用到

栈_3_2

3. 队列的基本操作

1) 队列的初始化

void queue_init(Queue* pque)
{
    assert(pque);
    pque->front = pque->rear = NULL;
    pque->size = 0;
}

2) 队列的销毁

用链表来实现队列，当销毁链表的时候，需要将链表的每一个节点都删除（防止内存泄漏

void queue_destory(Queue* pque)
{
    assert(pque);
    QueueNode* cur = pque->front;
    
    while (cur != NULL)
    {
        QueueNode* del = cur;
        cur = cur->next;
        
        free(del);
    }
    pque->front = pque->rear = NULL;

3) 判断队列是否为空

代码如下：

void queue_empty(const Queue* pque)
{
    assert(pque);
    
    return ((pque->front == NULL) && (pque->rear == NULL));
}

4) 队列的元素个数

代码如下：

void queue_size(const Queue* pque)
{
    assert(pque);
    
    return pque->size;
}

5) 取队首元素

代码如下：

QueueType queue_front(const Queue* pque)
{
    assert(pque);
    
    //判断队列不为空
    assert(!queue_empty(pque));
    
    return pque->front->value;
}

6) 取队尾元素

代码如下：

QueueType queue_back(const Queue* pque)
{
    assert(pque);
    
    //判断队列不为空
    assert(!queue_empty(pque));
    
    return pque->rear->value;
}

7) 入队✨

入队就是将新的元素放入队列中，只允许在队尾的位置放入元素，新元素会成为新的队尾。

队列_3

要注意，当队列为空的时候（front 和 rear 都为 NULL），rear无法指向下一个节点，所以要进行特殊处理。

队列_4

代码实现如下：

void queue_push(Queue* pque, QueueType value)
{
    assert(pque);
    
    //创建新节点
    QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
    if (newnode == NULL)
    {
        perror("push malloc error");
        exit(-1);
    }
    
    //给新节点赋值
    newnode->value = value;
    newnode->next = NULL;
    
    //特殊处理，若队列为空
    if (queue_empty(pque))
    {
        //让队头和队尾 等于 新节点
        pque->front = pque->rear = newnode;
    }
    else
    {
        pque->rear->next = newnode;
        pque->rear = newnode;
    }
    
    ++pque->size;
    
}

8) 出队✨

出队操作就是把元素移出队列，只允许在队头一侧移出元素，出队的后一个元素会成为新的队头。

队列_1

要注意，当队列只有一个元素的时候，队头和队尾是一个位置，需要把两个都置为NULL才行。

队列_2

代码实现如下：

void queue_pop(Queue* pque)
{
    assert(pque);
    assert(!queue_empty(pque));
    
    //特殊处理，只有一个元素的时候，删除节点并将头尾置空
    if (pque->front->next ==  NULL)
    {
        free(pque->front);
        pque->front = pque->rear = NULL;
    }
    else
    {
        QueueNode* del = pque->front;
        pque->front = pque->front->next;
        
        free(del);
        del = NULL;
    }
    
    --pque->size;
    
}

4. 循环队列

循环队列指的是头尾相接的一种队列。

  • 若考虑用数组实现想要实现头尾相接的效果，可以考虑取模操作% ，那么这样一来，数组的大小一定是固定的大小，假设循环队列长度为N，那么有效长度就为 (front - rear + N) % N其中front和rear都表示数组的下标。

    image-20221219005646485

  • 若考虑用链表来实现，可以考虑使用单向循环链表，但相对的效率会有所降低，得到的是无固定大小，有效长度就是链表节点的个数。

    image-20221219010842701

四、小结

  • 什么是栈

栈是一种线性逻辑结构，可以用数组实现，也可以用链表实现。栈包括压栈和出栈的操作，遵循先进后出的原则（FILO）

  • 什么是队列

队列是一种线性逻辑结构，可以用数组实现，也可以用链表实现。队列包括入队和出队操作，遵循先进先出的原则（FIFO）。队列一种特殊的形式，叫循环队列，循环队列在队列的基础上遵循着头尾相接的原则。

如果这篇博客对你有帮助的话，还不忘给一个大大的三连支持博主，你的关注的是我最大的动力😚😚😚，我们下期再见。

本文来自互联网用户投稿，该文观点仅代表作者本人，不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处：http://www.coloradmin.cn/o/99970.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请联系多彩编程网进行投诉反馈，一经查实，立即删除！

相关文章

【问答篇】Java 线程篇 面试题（二）

【问答篇】Java 线程篇 面试题（二）

每天进步一点~ (ps: 文章内容及图片出处来自本人公众号~) 01、问：请谈谈你对线程声明周期的6种状态的认识和理解 答：很多地方说线程有5种状态，但实际上是6种状态:NEW、RUNNABLE, BLOCKED、 WAITING、TIMED_WAITING、TERMINATED; 新创建&a…
阅读更多...
（附源码）Springboot掌上博客系统 毕业设计 063131

（附源码）Springboot掌上博客系统 毕业设计 063131

Springboot掌上博客系统的设计与实现 摘 要 掌上博客系统是当今网络的热点，博客技术的出现使得每个人可以零成本、零维护地创建自己的网络媒体，Blog站点所形成的网状结构促成了不同于以往社区的Blog文化，Blog技术缔造了“博客”文化。 本文课…
阅读更多...
微服务框架 SpringCloud微服务架构 服务异步通讯 53 MQ 集群 53.1 集群分类 53.2 普通集群

微服务框架 SpringCloud微服务架构 服务异步通讯 53 MQ 集群 53.1 集群分类 53.2 普通集群

微服务框架 【SpringCloudRabbitMQDockerRedis搜索分布式，系统详解springcloud微服务技术栈课程|黑马程序员Java微服务】 服务异步通讯 文章目录微服务框架服务异步通讯53 MQ 集群53.1 集群分类53.1.1 集群分类53.2 普通集群53.2.1 普通集群53.2.2 搭建普通 集群5…
阅读更多...
2022 FIFA World Cup Final

2022 FIFA World Cup Final

我希望梅西能够捧杯，因为我怕再看见那个眼神！写在总决赛开始前 12/18/2022 22:04 在一个周日的晚上收到了邹总发的活动信，我记得还在CSDN问答区在回答问题，突然看见私信的红点，其实看到活动（活动链接点击这…
阅读更多...
万字长文，彻底搞懂分布式缓存Redis

万字长文，彻底搞懂分布式缓存Redis

最近系统性地整理了Redis的知识点，在此和大家做些分享，希望能帮助到大家。 为什么Redis这么受欢迎 时代产物 随着互联网规模的不断扩张，越来越多的企业在技术架构上会采用分布式架构，而且对于系统的吞吐量以及响应速率的要求也…
阅读更多...
非零基础自学Golang 第11章 文件操作 11.2 文件基本操作 11.2.3 文件写入 11.2.4 删除文件

非零基础自学Golang 第11章 文件操作 11.2 文件基本操作 11.2.3 文件写入 11.2.4 删除文件

非零基础自学Golang 文章目录非零基础自学Golang第11章 文件操作11.2 文件基本操作11.2.3 文件写入11.2.4 删除文件第11章 文件操作 11.2 文件基本操作 11.2.3 文件写入 与之前的文件读取相比，向文件写入内容也有两个接口，分别为Write和WriteAt。 fu…
阅读更多...
数据管理篇之元数据

数据管理篇之元数据

第12章 元数据 1.元数据概述 元数据定义 元数据是关于数据的数据。按照用途可以分为两类： 技术元数据 业务元数据 阿里巴巴常见的技术元数据： 分布式计算系统存储元数据 分布式计算系统运行元数据 数据开发平台中数据同步，计算任务、任务调…
阅读更多...
【编译原理】第四章部分课后题答案

【编译原理】第四章部分课后题答案

第 四 章 课 后 习 题 T 4.1 根据表4.1的语法制导定义，为输入表达式5∗(4∗32)5*(4*32)5∗(4∗32)构造注释分析树。 T 4.2 构造表达式((a∗b)(c))((a*b)(c))((a∗b)(c))的分析树和语法树： （a）根据表4.3的语法制导定义。 &…
阅读更多...
C++中你不知道的namespace和using的用法

C++中你不知道的namespace和using的用法

目录 引言 一: 冒号作用域 二、名字控制 1 命令空间 2 命令空间的使用 三、 using的指令 1 using的声明 2 using的编译指令 引言 你是不是只认为namespace 和 using 在C中是基本的语法框架，但是却不知道它们的真正用法，看完文章你会对using和name…
阅读更多...
计算机毕设Python+Vue校园志愿者服务系统（程序+LW+部署）

计算机毕设Python+Vue校园志愿者服务系统（程序+LW+部署）

项目运行 环境配置： Jdk1.8 Tomcat7.0 Mysql HBuilderX（Webstorm也行） Eclispe（IntelliJ IDEA,Eclispe,MyEclispe,Sts都支持）。 项目技术： SSM mybatis Maven Vue 等等组成，B/S模式 M…
阅读更多...
软件测试零基础如何快速入门 ？这里有全网最详细的学习资料

软件测试零基础如何快速入门 ？这里有全网最详细的学习资料

目录 前言 一、首先，我们要了解清楚用人部门对初级测试人员的定位： 二、清楚了初级测试人员需要具备的能力 三、找到正确的方向 四、最后需要做的就是储备自己的能力。 一.找本软件测试基础的书 二.写文档 三.执行测试 四.多关注技术博文 五、…
阅读更多...
城市管理网站

城市管理网站

开发工具(eclipse/idea/vscode等)： 数据库(sqlite/mysql/sqlserver等)： 功能模块(请用文字描述，至少200字)： “模块划分：公告类型，公告信息，城管信息，居民信息，设诉类型&…
阅读更多...
工程师为微型晶体管开发新的集成路线

工程师为微型晶体管开发新的集成路线

新南威尔士大学悉尼团队展示了高 κ 钙钛矿膜如何充当二维晶体管的绝缘体 新南威尔士大学悉尼分校的研究人员开发了一种微小、透明且灵活的材料，可用作晶体管中的新型电介质（绝缘体）组件。 最近发表在《自然》杂志上的研究“高 κ 钙钛矿膜…
阅读更多...
面试题61. 扑克牌中的顺子

面试题61. 扑克牌中的顺子

晚上做了道题，写完看了大佬的题解发现自己很蠢，思维不够光想着模拟了，来回考虑细节磕磕绊绊写完这么一道题。虽然也是写出来了，复杂度都是ok的，不过代码长，处理细节麻烦。 记录一下这道题 从若干副扑克牌中…
阅读更多...
对DataFrame的列标签增加后缀的DataFrame.add_suffix()方法

对DataFrame的列标签增加后缀的DataFrame.add_suffix()方法

【小白从小学Python、C、Java】 【计算机等级考试500强双证书】 【Python-数据分析】 为DataFrame的列标签增加后缀 DataFrame.add_suffix() [太阳]选择题 关于以下python代码说法错误的一项是? import pandas as pd df pd.DataFrame({"A": [1,2],"B":[1…
阅读更多...
基于Unity整合BEPUphysicsint物理引擎实战

基于Unity整合BEPUphysicsint物理引擎实战

上一节我们详细的讲解BEPUphysicsint 的物理事件。此物理引擎会产生了碰撞事件与非碰撞事件，碰撞事件大家好理解，非碰撞事件例如: 物理Entity的update事件,Entity的activation/deactivation事件等。本节课来实战如何编译BEPUphysicsint源码到自己的项目,…
阅读更多...
Linux 服务器数据同步利器

Linux 服务器数据同步利器

一、简介 1 认识 Rsync（remote synchronize）是一个远程数据同步工具，可通过LAN/WAN快速同步多台主机间的文件。Rsync使用所谓的“Rsync算法”来使本地和远 程两个主机之间的文件达到同步，这个算法只传送两个文件的不同部分&#x…
阅读更多...
【毕业设计_课程设计】基于机器视觉的害虫种类及数量检测（源码+论文）

【毕业设计_课程设计】基于机器视觉的害虫种类及数量检测（源码+论文）

文章目录0 项目说明1 研究目的2 研究内容及结论3 文件介绍4 论文目录5 项目源码0 项目说明 基于机器视觉的害虫种类及数量检测 提示：适合用于课程设计或毕业设计，工作量达标，源码开放 1 研究目的 研究的目的在于建立一套远程病虫害自动识别…
阅读更多...
UNION 和 UNION ALL

UNION 和 UNION ALL

合并查询结果 利用UNION关键字，可以给出多条SELECT语句，并将它们的结果组合成单个结果集。合并时，两个表对应的列数和数据类型必须相同，并且相互对应。 各个SELECT语句之间使用UNION或UNION ALL关键字分隔。 语法格式 SELECT c…
阅读更多...
（附源码）node.js外卖平台 毕业设计 151448

（附源码）node.js外卖平台 毕业设计 151448

摘 要 随着科学技术的飞速发展，各行各业都在努力与现代先进技术接轨，通过科技手段提高自身的优势；对于外卖平台当然也不能排除在外，随着网络技术的不断成熟，带动了外卖平台，它彻底改变了过去传统的管理方式…
阅读更多...
推荐文章
最新文章

Copyright @ 2022~2023