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【数据结构】栈和队列（接口超完整）

news 2025/7/21 16:29:15

文章目录

前言

1、栈（Stack）

1.1、栈的概念和结构

1.2、栈的实现方式及解析

1.3、栈的实现

1、初始化

2、销毁

3、压栈

4、出栈

5、取栈顶数据

6、获取栈的大小

7、判空

1.4、栈实现完整源码

2、队列（Queue）

2.1、队列的概念和结构

2.2、队列的实现方式解析

2.3、队列的实现

1、队列初始化

2、队列销毁

3、队尾插入（入队列）

4、队头删除（出队列）

5、获取队列大小

6、获取队头数据

7、获取队尾数据

8、判空

2.4、队列实现完整源码

3、栈和队列比较

前言

栈和队列是计算机科学中两种重要的线性数据结构，均用于存储和管理数据元素。但它们的操作规则和应用场景不同，栈遵循“先进后出”的原则，而队列遵循“先进先出”的原则。

1、栈（Stack）

1.1、栈的概念和结构

栈是一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。

- 栈顶：进行数据的插入和删除的一端；

- 栈底：不允许操作的一端；

基本操作：

- 入栈/压栈（Push）：在栈顶添加元素；

- 出栈（Pop）：从栈顶移除并返回元素；

- 查看栈顶元素（Peek）：返回栈顶元素但不删除；

- 判空（IsEmpty）：检查栈中元素是否为空；

- 获取栈的大小（Size）：栈中元素个数。

压栈和出栈如下图

1.2、栈的实现方式及解析

栈最重要的就是其先进后出的原则，要实现栈，就要选择能够满足这种原则的方法。

我们发现，其实数组（顺序表），单链表和双向链表都能够用来实现栈。对于数组，压栈可以用realloc来动态扩容，出栈可以直接利用数组的下标；对于单链表，压栈可以用malloc动态申请空间并尾插，出栈只需要找到尾节点然后释放即可；对于双向链表，与单链表相同，只是双向链表可以通过头节点快速找到尾节点。双向链表由于prev指针，所以有额外的空间消费，只是找尾比较方便；相比于单链表，数组在压栈和出栈时，下标就很有优势，代价较小。所以我们选择用数组实现栈。

特性	数组	单链表
存储空间	连续的空间	不一定连续
随机访问	O（1）	O（N）
压栈	realloc扩容（成本较高）	malloc动态申请（成本较低）
应用场景	元素高效存储+频繁访问	任意位置插入和删除频繁
缓存利用率	高	低

栈主要是对尾部数据进行删除和插入操作，而数组在尾部操作的时间复杂度为O（1），同时，我们可以用二倍扩容来进一步降低扩容成本。

1.3、栈的实现

我们用多个文件的方式实现，下面先展示头文件，因为头文件包含定义顺序表结构，和实现函数的声明，方便我们的理解。

Stack.h



#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>//以顺序表的方式实现栈
typedef int DateType;
//定义顺序表的结构
typedef struct Stack
{DateType* arr;  //不定长数组int top;        //栈顶位置int capacity;   //容量
}ST;//初始化
void STInit(ST* pst);
//销毁
void STDestry(ST* pst);
//压栈
void STPush(ST* pst,DateType x);
//出栈
void STPop(ST* pst);
//取栈顶数据
DateType STTop(ST* pst);
//获取数据个数
int STSize(ST* pst);
//判空
bool STEmpty(ST* pst);

1、初始化

初始化时，要特别注意对Top的定义，主要有两种情况：

Top指向栈顶数据，此时，Top应该初始化为-1；

Top指向栈顶数据的下一个位置，此时，Top应该初始化为0；

这里，我们定义Top指向栈顶数据的下一个位置。

//初始化
void STInit(ST* pst)
{assert(pst);pst->arr = NULL;//如果想让栈顶就是最后一个数据，则pst->top应该初始化为 -1 。pst->top = 0;pst->capacity = 0;
}

2、销毁

//销毁
void STDestry(ST* pst)
{assert(pst);free(pst->arr);pst->arr = NULL;pst->top = pst->capacity = 0;
}

3、压栈

与前面顺序表尾插的思路一致。

//插入数据
void STPush(ST* pst, DateType x)
{assert(pst);//处理空间不足的情况if (pst->top == pst->capacity){//三目操作符处理pst->top为0的情况int newcapacity = pst->top == 0 ? 4 : 2 * pst->capacity;DateType * tmp = realloc(pst->arr, sizeof(DateType) * newcapacity);if (tmp == NULL){perror("realloc");exit(1);}pst->arr = tmp;pst->capacity = newcapacity;}//插入数据pst->arr[pst->top] = x;pst->top++;//pst->arr[pst->top++] = x;
}

4、出栈

//删除数据（出栈）
void STPop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);pst->top--;
}

5、取栈顶数据

//取栈顶数据
DateType STTop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);return pst->arr[pst->top-1];
}

6、获取栈的大小

//获取数据个数
int STSize(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top;
}

7、判空

当pst->top==0时，返回true，反之返回false。

//判空
bool STEmpty(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top == 0;
}

1.4、栈实现完整源码

Stack.c（实现代码）

#include"Stack.h"//初始化
void STInit(ST* pst)
{assert(pst);pst->arr = NULL;//pst->top = 0;默认栈顶是在栈的最后一个数据之后，这样也方便插入数据//如果想让栈顶就是最后一个数据，则pst->top应该初始化为 -1 。pst->top = 0;pst->capacity = 0;
}//销毁
void STDestry(ST* pst)
{assert(pst);free(pst->arr);pst->arr = NULL;pst->top = pst->capacity = 0;
}//插入数据
void STPush(ST* pst, DateType x)
{assert(pst);//处理空间不足的情况if (pst->top == pst->capacity){//三目操作符处理pst->top为0的情况int newcapacity = pst->top == 0 ? 4 : 2 * pst->capacity;DateType * tmp = realloc(pst->arr, sizeof(DateType) * newcapacity);if (tmp == NULL){perror("realloc");exit(1);}pst->arr = tmp;pst->capacity = newcapacity;}//插入数据pst->arr[pst->top] = x;pst->top++;//pst->arr[pst->top++] = x;
}//删除数据（出栈）
void STPop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);pst->top--;
}//取栈顶数据
DateType STTop(ST* pst)
{assert(pst);assert(pst->top > 0);return pst->arr[pst->top-1];
}//获取数据个数
int STSize(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top;
}//判空
bool STEmpty(ST* pst)
{assert(pst);return pst->top == 0;
}

test.c（测试代码）

#include"Stack.h"int main()
{ST s;STInit(&s);//初始化//插入数据STPush(&s, 1);STPush(&s, 2);STPush(&s, 3);STPush(&s, 4);//获取数据个数int num = STSize(&s);printf("%d\n", num);//出栈STPop(&s);STPop(&s);//STPop(&s);//STPop(&s);int temp = s.top;while (temp)//打印{printf("%d->", s.arr[--temp]);}//取栈顶数据DateType ret = STTop(&s);printf("\n%d\n", ret);int x = STSize(&s);printf("%d\n", x);return 0;
}