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数据结构——栈与队列

2023-11-22 64
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简介： 数据结构——栈与队列

一、栈

1.1   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。

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1.2 栈的实现（数组栈）

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。

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1.2.1 栈的基本功能实现

#include<stdio.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
typedef int  SDateType;
typedef struct Stack
{
  SDateType* a;
  int top;
  int capacity;
}Stack;
//初始化栈和销毁栈
void InitStack(Stack* ps);
void DestoryStack(Stack* ps);
//出栈和入栈
void StackPush(Stack* ps, SDateType x);
void StackPop(Stack* ps);
//栈的有效个数和栈顶元素
int  StackSize(Stack* ps);
int   StackTop(Stack* ps);
//栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps);


1.2.1.1 栈的初始化和销毁
//初始化栈和销毁栈
void InitStack(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  ps->a = NULL;
  ps->capacity = ps->top = 0;
}
void DestoryStack(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  free(ps->a);
  ps->a = NULL;
  ps->capacity = ps->top = 0;
}


1.2.1.2  入栈和出栈
//出栈和入栈
void StackPush(Stack* ps, SDateType x)
{
  assert(ps);
  //扩容
  if (ps->top == ps->capacity)
  {
    int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
    SDateType* tmp = (SDateType*)realloc(ps->a,newcapacity*sizeof(SDateType));
    if (tmp == NULL)
    {
      perror("realloc fail:");
        return;
    }
    ps->a = tmp;
    ps->capacity = newcapacity;
  }
  //尾插
  ps->a[ps->top] = x;
  ps->top++;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(ps->top > 0);//只少有一个元素，才能删除
  ps->top--;
}


1.2.1.3 栈的元素个数和栈顶元素
//栈的有效个数和栈顶元素
int  StackSize(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->top;
}
int   StackTop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(ps->top > 0);
  return ps->a[ps->top - 1];
}


1.2.1.4  栈是否为空
//栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->top == 0;
}


1.2.2  Stack.h

#include<stdio.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
typedef int  SDateType;
typedef struct Stack
{
  SDateType* a;
  int top;
  int capacity;
}Stack;
//初始化栈和销毁栈
void InitStack(Stack* ps);
void DestoryStack(Stack* ps);
//出栈和入栈
void StackPush(Stack* ps, SDateType x);
void StackPop(Stack* ps);
//栈的有效个数和栈顶元素
int  StackSize(Stack* ps);
int   StackTop(Stack* ps);
//栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps);


1.2.3  Stach.c

#include"Stack.h"
//初始化栈和销毁栈
void InitStack(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  ps->a = NULL;
  ps->capacity = ps->top = 0;
}
void DestoryStack(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  free(ps->a);
  ps->a = NULL;
  ps->capacity = ps->top = 0;
}
//出栈和入栈
void StackPush(Stack* ps, SDateType x)
{
  assert(ps);
  //扩容
  if (ps->top == ps->capacity)
  {
    SDateType newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
    SDateType* tmp = (SDateType*)realloc(ps->a,newcapacity*sizeof(SDateType));
    if (tmp == NULL)
    {
      perror("realloc fail:");
        return;
    }
    ps->a = tmp;
    ps->capacity = newcapacity;
  }
  //尾插
  ps->a[ps->top] = x;
  ps->top++;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(ps->top > 0);//只少有一个元素，才能删除
  ps->top--;
}
//栈的有效个数和栈顶元素
int  StackSize(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->top;
}
int   StackTop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(ps->top > 0);
  return ps->a[ps->top - 1];
}
//栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->top == 0;
}


二、队列

2.1  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


2.2  队列的实现（单链表队列）

队列也可以数组和链表的结构实现，使用链表的结构实现更优一些，因为如果使用数组的结构，出队列在数 组头上出数据，效率会比较低。


2.2.1 队列的基本功能实现

#include<stdio.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
typedef int QDateType;
typedef struct QueueNode
{
  QDateType val;
  struct QueueNode * next;
}QueueNode;
typedef struct Queue
{
  QueueNode *head;
  QueueNode *tail;
  QDateType size;
}Queue;
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);
void QueueDestroy(Queue* pq);
// 队尾入列和出列
void QueuePush(Queue* pq, QDateType x);
void QueuePop(Queue* pq);
// 返回队头和队尾
QDateType QueueFront(Queue* pq);
QDateType QueueBack(Queue* pq);
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);
// 检测队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);


2.2.1.1 队列的初始化和销毁
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  pq->head = pq->tail = NULL;
  pq->size = 0;
}
//队列的销毁
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->head==NULL;
}


2.2.1.2 入列和出列
//入列
void QueuePush(Queue* pq, QDateType x)
{
  assert(pq);
  QueueNode* node = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
  node->val = x;
  node->next = NULL;
  if (pq->tail == NULL)
  {
    pq->head = pq->tail = node;
    pq->size++;
  }
  else
  {
    pq->tail->next = node;
    pq->tail = node;
    pq->size++;
  }
}
//出列
void QueuePop(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  assert(pq->head != NULL);//只少保证一个节点
  QueueNode* del = pq->head;
  pq->head = pq->head->next;
  free(del);
  del = NULL;
  pq->size--;
  if (pq->head == NULL)//只有一个节点处理
  {
    pq->tail = NULL;
  }
}


2.2.1.3    返回队头和队尾元素
// 返回队头和队尾
QDateType QueueFront(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->head->val;
}
QDateType QueueBack(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->tail->val;
}


2.2.1.4  队列元素个数
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->size;
}


2.2.1.5  队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->head==NULL;
}


2.2.2  Queue.h

#include<stdio.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
typedef int QDateType;
typedef struct QueueNode
{
  QDateType val;
  struct QueueNode * next;
}QueueNode;
typedef struct Queue
{
  QueueNode *head;
  QueueNode *tail;
  QDateType size;
}Queue;
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);
void QueueDestroy(Queue* pq);
// 队尾入列和出列
void QueuePush(Queue* pq, QDateType x);
void QueuePop(Queue* pq);
// 返回队头和队尾
QDateType QueueFront(Queue* pq);
QDateType QueueBack(Queue* pq);
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);
// 检测队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);


2.2.1 Queue.c

#include"Queue.h"
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  pq->head = pq->tail = NULL;
  pq->size = 0;
}
void QueuePush(Queue* pq, QDateType x)
{
  assert(pq);
  QueueNode* node = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
  node->val = x;
  node->next = NULL;
  if (pq->tail == NULL)
  {
    pq->head = pq->tail = node;
    pq->size++;
  }
  else
  {
    pq->tail->next = node;
    pq->tail = node;
    pq->size++;
  }
}
void QueuePop(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  assert(pq->head != NULL);//只少保证一个节点
  QueueNode* del = pq->head;
  pq->head = pq->head->next;
  free(del);
  del = NULL;
  pq->size--;
  if (pq->head == NULL)//只有一个节点处理
  {
    pq->tail = NULL;
  }
}
// 返回队头和队尾
QDateType QueueFront(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->head->val;
}
QDateType QueueBack(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->tail->val;
}
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->size;
}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  return pq->head==NULL;
}
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
  assert(pq);
  QueueNode* cur = pq->head;
  while (cur)
  {
    QueueNode* next = cur->next;
    free(cur);
    cur = next;
  }
  pq->head = pq->tail = NULL;
  pq->size = 0;
}
关键词：
数据结构栈
数据结构队列
数据结构栈队列
数据结构栈与队列
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