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栈和队列详解

news 2025/8/16 18:17:11

1.栈

1.1 概念与结构

1.2 栈的实现

2.队列

2.1 概念与结构

2.2 队列的实现

3.栈和队列算法题

3.1 有效的括号

3.2 用队列实现栈

3.3 用栈实现队列

3.4 设计循环列表

1.栈

1.1 概念与结构

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

栈底层结构选型：
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

1.2 栈的实现

Stack.h

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

typedef int STDataType;
//定义栈的数据结构
typedef struct Stack
{
   STDataType* arr;
   int top;           //指向栈顶位置
   int capacity;       //容量
}ST;

void STInit(ST* ps);
void STDestroy(ST* ps);

//入栈--栈顶
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
//出栈--栈顶
void StackPop(ST* ps);

//取栈顶元素
STDataType StackTop(ST* ps);

//栈是否为空
bool StackEmpty(ST* ps);
//获取栈中有效元素个数
int STSize(ST* ps);

Stack.c

#include"Stack.h"

//初始化
void STInit(ST* ps)
{
   assert(ps);
   ps->arr = NULL;
   ps->top = ps->capacity = 0;
}
//销毁
void STDestroy(ST* ps)
{
   if (ps->arr != NULL)
       free(ps->arr);

   ps->arr = NULL;
   ps->top = ps->capacity = 0;
}
//入栈--栈顶
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
   assert(ps);
   if (ps->top == ps->capacity)
   {
       //空间满了--增容
       int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;
       STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->arr, newCapacity * sizeof(STDataType));
       if (tmp == NULL)
       {
           perror("realloc fail\n");
           exit(1);
       }
       ps->arr = tmp;
       ps->capacity = newCapacity;
   }
   //空间足够
   ps->arr[ps->top++] = x;
}
//栈是否为空
bool StackEmpty(ST* ps)
{
   assert(ps);
   return ps->top == 0;
}
//出栈--栈顶
void StackPop(ST* ps)
{
   assert(!StackEmpty(ps));
   --ps->top;
}
//取栈顶元素
STDataType StackTop(ST* ps)
{
   assert(!StackEmpty(ps));
   return ps->arr[ps->top - 1];
}
//获取栈中有效元素个数
int STSize(ST* ps)
{
   assert(ps);
   return ps->top;
}

2.队列

2.1 概念与结构

概念：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

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

队列底层结构选项

2.2 队列的实现

Queue.h

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

typedef int QDataType;
//定义队列结点的结构
typedef struct QueueNode
{
   QDataType data;
   struct QueueNode* next;
}QueueNode;
//定义队列的结构
typedef struct Queue
{
   QueueNode* phead;//队头
   QueueNode* ptail;//队尾
   int size;       //队列有效元素个数
}Queue;
//初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//入队列--队头
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//队列判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);
//出队列--队头
void QueuePop(Queue* pq);
//取队头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//取队尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq);
//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);

Queue.c

#include"Queue.h"

//初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
   assert(pq);
   pq->phead = pq->ptail = NULL;
   pq->size = 0;
}
//入队列--队头
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
   assert(pq);
   QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
   if (newnode == NULL)
   {
       perror("malloc fail!");
       exit(1);
   }
   newnode->data = x;
   newnode->next = NULL;

   //队列为空，队头和队尾都是newnode
   if (pq->phead == NULL)
   {
       pq->phead = pq->ptail = newnode;
   }
   else
   {
       pq->ptail->next = newnode;
       pq->ptail = pq->ptail->next;
   }
   pq->size++;
}
//队列判空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
   assert(pq);
   return pq->phead == NULL;
}
//队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
   //int size = 0;
   //QueueNode* pcur = pq->phead;
   //while (pcur)
   //{
   //   size++;
   //   pcur = pcur->next;
   //}
   //return size;
   return pq->size;
}
//出队列--队头
void QueuePop(Queue* pq)
{
   assert(pq);
   assert(!QueueEmpty(pq));
   //只有一个结点
   if (pq->phead == pq->ptail)
   {
       free(pq->phead);
       pq->phead = pq->ptail = NULL;
   }
   else
   {
       //多个结点
       QueueNode* next = pq->phead->next;
       free(pq->phead);
       pq->phead = next;
   }
   --pq->size;
}
//取队头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
   assert(pq);
   assert(!QueueEmpty(pq));
   return pq->phead->data;
}
//取队尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
   assert(pq);
   assert(!QueueEmpty(pq));
   return pq->ptail->data;
}
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
   assert(pq);
   QueueNode* pcur = pq->phead;
   while (pcur)
   {
       QueueNode* next = pcur->next;
       free(pcur);
       pcur = next;
   }
   pq->phead = pq->ptail = NULL;
   pq->size = 0;
}