数据结构之栈、队列——算法与数据结构入门笔记(四)

简介: 数据结构之栈、队列——算法与数据结构入门笔记(四)

本文是算法与数据结构的学习笔记第四篇,将持续更新,欢迎小伙伴们阅读学习 。有不懂的或错误的地方,欢迎交流



栈是一种线性数据结构,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 (Top), 另一端称为栈底 (Bottom)。栈中的数据元素遵守后进先出 LIFO(Last In First Out)的原则,即最后进入的元素最先被访问。

压栈(push):栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈,入数据在栈顶。

出栈(pop):栈的删除操作叫做出栈,出数据也在栈顶。

下面的动图可以更直观的理解栈的出入栈

栈的特点

  1. 后进先出(LIFO):最后进入栈的元素最先被访问,而最先进入栈的元素最后被访问。
  2. 只允许在一端进行插入和删除操作:栈通常只允许在栈顶进行插入和删除操作,而不允许在其他位置进行操作。
  3. 栈顶指针:栈顶指针指向栈顶元素,它随着元素的插入和删除而改变。

栈的应用

  1. 函数调用:编程语言中的函数调用过程使用栈来保存函数的返回地址、参数和局部变量等信息。每当一个函数被调用,其相关信息被压入栈中;当函数执行完毕,这些信息被弹出栈,控制权回到调用函数。
  2. 表达式求值:栈在表达式求值中起到重要作用。通过将中缀表达式转换为后缀表达式,并使用栈来存储操作数和运算符,可以实现对表达式的求值。
  3. 括号匹配:栈常用于检查表达式中括号是否匹配的问题。遍历表达式时,遇到左括号就将其压入栈中,遇到右括号时与栈顶元素进行匹配,如果匹配则弹出栈顶元素,继续遍历;如果不匹配,则括号不匹配。
  4. 撤销操作:在文本编辑器或图形处理软件中,栈可用于实现撤销操作。每次执行操作时,相关信息被压入栈中,当用户需要撤销操作时,将栈顶元素弹出,回退到上一个状态。
  5. 中断处理和现场保护:中断是计算机系统中常见的事件,例如硬件故障、外部设备请求等。当系统发生中断时,当前正在执行的程序需要被暂停,转而处理中断事件。栈在中断处理中扮演着重要角色,用于保存和恢复程序的执行现场。当发生中断时,系统会自动将当前程序的执行现场(包括程序计数器、寄存器等状态信息)保存到栈中。然后,中断服务程序(Interrupt Service Routine,ISR)被执行,处理中断事件。处理完成后,系统从栈中恢复之前保存的执行现场,继续原来被中断的程序的执行。通过栈的保存和恢复操作,确保中断处理的流程正确且不会破坏原有的程序执行。

栈的基本操作

  1. 初始化栈。
  2. 压栈,往栈中添加一个元素。
  3. 出栈,从栈顶删除一个元素。
  4. 获取栈顶元素。
  5. 判断栈是否为空、是否满栈。
  6. 栈的销毁。

注意:在操作栈时,要避免“上溢”和“下溢”

上溢:指栈已满,若继续存数据,则会上溢,出现报错(栈满再存出现上溢)

下溢:指栈已空,若继续取数据,则会下溢,出现报错(栈空再取出现下溢)


C 语言

栈有两种实现方式,一种是使用数组来实现,另一种是使用链表来实现。下面是总结的用数组和链表实现的优缺点。

用数组实现的优点

1 . 数组在内存中是连续存储的,因此访问元素时速度较快。CPU高速缓存命中率会更高。

2. 下标的随机访问。尾插尾删效率不错.

3. 数组实现相对简单,不需要额外的指针来维护元素之间的关系。

数组实现的缺点

1 . 数组的大小是固定的,因此在栈空间不足时需要进行扩容操作,这可能会导致性能下降。

2 . 在删除元素时,需要移动数组中的其他元素,这也可能会导致性能下降。

用链表实现的优点

1 .链表的大小可以动态调整,因此可以更好地利用空间。

2 . 任意位置插入删除O(1) ,链表的性能较高,因为不需要移动其他元素。

链表实现的缺点

1 . CPU高速缓存命中率会更低,不是连续存储的,因此访问元素时速度较慢。

2. 不支持下标的随机访问.

用链表还是用数组结构实现,这个问题的答案取决于具体的应用场景和需求,下面我们给出了数组栈和链表栈的 C 语言实现。


数组栈


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX_SIZE 100
// 定义栈结构
typedef struct {
    int data[MAX_SIZE]; // 用数组存储栈的元素
    int top; // 栈顶指针
} Stack;
// 初始化栈
void init(Stack *stack) {
    stack->top = -1; // 初始化栈顶指针为-1,表示栈为空
}
// 判断栈是否为空
int isEmpty(Stack *stack) {
    return stack->top == -1;
}
// 判断栈是否已满
int isFull(Stack *stack) {
    return stack->top == MAX_SIZE - 1;
}
// 入栈操作
void push(Stack *stack, int item) {
    if (isFull(stack)) {
        printf("Stack overflow\n");
        return;
    }
    stack->top++; // 栈顶指针加1
    stack->data[stack->top] = item; // 将元素入栈
}
// 出栈操作
int pop(Stack *stack) {
    int item;
    if (isEmpty(stack)) {
        printf("Stack underflow\n");
        return -1;
    }
    item = stack->data[stack->top]; // 获取栈顶元素
    stack->top--; // 栈顶指针减1
    return item;
}
// 获取栈顶元素
int peek(Stack *stack) {
    if (isEmpty(stack)) {
        printf("Stack is empty\n");
        return -1;
    }
    return stack->data[stack->top];
}
// 销毁栈
void destroy(Stack *stack) {
    stack->top = -1; // 将栈顶指针重置为-1,表示栈为空
}
int main() {
    Stack stack;
    init(&stack);
    push(&stack, 1);
    push(&stack, 2);
    push(&stack, 3);
    printf("Top element: %d\n", peek(&stack));
    printf("Popped element: %d\n", pop(&stack));
    printf("Popped element: %d\n", pop(&stack));
    printf("Top element: %d\n", peek(&stack));
    destroy(&stack);
    return 0;
}


链表栈


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 定义链表节点
typedef struct Node {
    int data;
    struct Node* next;
} Node;
// 定义栈结构
typedef struct {
    Node* top; // 栈顶指针
} Stack;
// 初始化栈
void init(Stack* stack) {
    stack->top = NULL; // 初始化栈顶指针为空
}
// 判断栈是否为空
int isEmpty(Stack* stack) {
    return stack->top == NULL;
}
/* 由于链表实现的栈理论上没有大小限制,因此不存在“栈满”的情况。在入栈操作时只需要创建新节点,并将其插入到链表头部即可。
如需限制栈的大小,可以通过设置一个变量来记录当前栈中存储的元素个数,然后在入栈时进行判断,若已满则不允许再次入栈。*/
// 入栈操作
void push(Stack* stack, int item) {
    Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node)); // 创建新节点
    if (newNode == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return;
    }
    newNode->data = item; // 设置新节点的数据为要入栈的元素
    newNode->next = stack->top; // 将新节点插入到栈顶
    stack->top = newNode; // 更新栈顶指针
}
// 出栈操作
int pop(Stack* stack) {
    if (isEmpty(stack)) {
        printf("Stack underflow\n");
        return -1;
    }
    Node* topNode = stack->top; // 获取栈顶节点
    int item = topNode->data; // 获取栈顶元素
    stack->top = topNode->next; // 更新栈顶指针
    free(topNode); // 释放栈顶节点的内存
    return item;
}
// 获取栈顶元素
int peek(Stack* stack) {
    if (isEmpty(stack)) {
        printf("Stack is empty\n");
        return -1;
    }
    return stack->top->data;
}
// 销毁栈
void destroy(Stack* stack) {
    while (!isEmpty(stack)) {
        pop(stack);
    }
}
int main() {
    Stack stack;
    init(&stack);
    push(&stack, 1);
    push(&stack, 2);
    push(&stack, 3);
    printf("Top element: %d\n", peek(&stack));
    printf("Popped element: %d\n", pop(&stack));
    printf("Popped element: %d\n", pop(&stack));
    printf("Top element: %d\n", peek(&stack));
    destroy(&stack);
    return 0;
}


队列


队列是栈的兄弟结构,是只允许在一端进行插入元素操作,在另一端进行删除元素操作的线性数据结构。进行插入操作的一端称为队尾,进行删除操作的一端称为队头。队列中的数据元素遵守先进先出 FIFO(First In First Out)的原则,即最先进入的元素最先被访问。



队列的特点

  1. 先进先出(FIFO):第一个插入的元素是第一个被删除的元素,因此表现为先进先出的顺序。
  2. 元素只能从队尾插入(入队)和从队头删除(出队)。

队列的应用

  1. 消息传递:在消息传递模型中,消息被发送到队列中等待接收方进行处理。发送方可以通过入队操作向队列发送消息,而接收方则通过出队操作从队列中获取消息。
  2. 缓存区管理:在网络通信、磁盘I/O等场景中,队列被用于管理数据的缓冲区。接收到的数据被放入队列中,然后按照一定的规则从队列中取出,保证数据按照顺序传输。
  3. 任务调度:操作系统中的任务调度通常使用队列来管理待执行的任务,按照先来先服务(First-Come-First-Served,FCFS)的原则进行调度。
  4. 广度优先搜索:图的广度优先搜索算法(BFS)使用队列来保存待访问的节点。从起始节点开始,将其放入队列中,然后不断从队列中取出节点,并将其邻接节点放入队列,直到队列为空。

队列的基本操作

  1. 入队(enqueue):将元素插入到队列的末尾。
  2. 出队(dequeue):从队列的头部删除一个元素并返回。
  3. 获取队列头部元素的值。
  4. 获取队列中元素的个数。
  5. 判断队列是否为空、是否已满。
  6. 队列的销毁


C 语言

队列有两种实现方式,一种是使用数组来实现,另一种是使用链表来实现。下面是总结的用数组和链表实现的优缺点。

用数组实现的优点

1 . 数组在内存中是连续存储的,因此访问元素时速度较快。CPU高速缓存命中率会更高。

2 . 数组实现相对简单,不需要额外的指针来维护元素之间的关系。

数组实现的缺点

1 . 需要事先确定队列的最大长度,这可能会导致性能下降。

2 . 需要移动元素来保持队列的顺序。

用链表实现的优点

1 . 不需要事先确定队列的最大长度,可以动态扩展。

2 . 插入和删除操作只需要修改指针,不需要移动元素。

3 . 可以实现多个队列共享一个链表。

链表实现的缺点

1 . CPU高速缓存命中率会更低,不是连续存储的,因此访问元素时速度较慢。

2 .实现相对复杂。

用链表还是用数组结构实现,这个问题的答案取决于具体的应用场景和需求,下面我们给出了数组队列和链表队列的 C 语言实现。


数组队列


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX_SIZE 100 // 队列的最大大小
// 定义队列结构体
struct queue {
    int* arr; // 数组指针
    int front; // 队首位置
    int rear; // 队尾位置
    int size; // 当前队列中存储的元素个数
};
// 初始化队列
struct queue* init() {
    struct queue* q = (struct queue*)malloc(sizeof(struct queue));
    q->arr = (int*)malloc(MAX_SIZE * sizeof(int));
    q->front = 0;
    q->rear = -1;
    q->size = 0;
    return q;
}
// 判断队列是否为空
int is_empty(struct queue* q) {
    return q->size == 0;
}
// 判断队列是否已满
int is_full(struct queue* q) {
    return q->size == MAX_SIZE;
}
// 入队
void enqueue(struct queue* q, int value) {
    if (is_full(q)) {
        printf("Queue Overflow\n");
        return;
    }
    q->rear = (q->rear + 1) % MAX_SIZE;
    q->arr[q->rear] = value;
    q->size++;
}
// 出队
int dequeue(struct queue* q) {
    if (is_empty(q)) {
        printf("Queue Underflow\n");
        return -1;
    }
    int value = q->arr[q->front];
    q->front = (q->front + 1) % MAX_SIZE;
    q->size--;
    return value;
}
// 获取队首元素
int front(struct queue* q) {
    if (is_empty(q)) {
        printf("Queue Underflow\n");
        return -1;
    }
    return q->arr[q->front];
}
// 获取队列长度
int size(struct queue* q) {
    return q->size;
}
// 销毁队列
void destroy(struct queue* q) {
    free(q->arr);
    free(q);
}
int main() {
    struct queue* q = init();
    enqueue(q, 10);
    enqueue(q, 20);
    enqueue(q, 30);
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出10
    printf("%d\n", front(q)); // 输出20
    enqueue(q, 40);
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出20
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出30
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出40
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出Queue Underflow
    destroy(q); // 销毁队列
    return 0;
}


链表队列

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 定义队列节点结构体
struct queue_node {
    int data;
    struct queue_node* next;
};
// 定义队列结构体
struct queue {
    struct queue_node* front; // 队首指针
    struct queue_node* rear; // 队尾指针
    int size; // 当前队列中存储的元素个数
};
// 初始化队列
struct queue* init() {
    struct queue* q = (struct queue*)malloc(sizeof(struct queue));
    q->front = NULL;
    q->rear = NULL;
    q->size = 0;
    return q;
}
// 判断队列是否为空
int is_empty(struct queue* q) {
    return q->size == 0;
}
// 同链表栈,链表队列没有固定的大小限制,因此不需要判断队列是否已满
// 入队
void enqueue(struct queue* q, int value) {
    // 创建新节点
    struct queue_node* new_node = (struct queue_node*)malloc(sizeof(struct queue_node));
    new_node->data = value;
    new_node->next = NULL;
    if (is_empty(q)) {
        q->front = new_node;
        q->rear = new_node;
    } else {
        q->rear->next = new_node;
        q->rear = new_node;
    }
    q->size++;
}
// 出队
int dequeue(struct queue* q) {
    if (is_empty(q)) {
        printf("Queue Underflow\n");
        return -1;
    }
    struct queue_node* temp = q->front;
    int value = temp->data;
    if (q->front == q->rear) {
        q->front = NULL;
        q->rear = NULL;
    } else {
        q->front = q->front->next;
    }
    free(temp);
    q->size--;
    return value;
}
// 获取队首元素
int front(struct queue* q) {
    if (is_empty(q)) {
        printf("Queue Underflow\n");
        return -1;
    }
    return q->front->data;
}
// 获取队列长度
int size(struct queue* q) {
    return q->size;
}
// 销毁队列
void destroy(struct queue* q) {
    while (!is_empty(q)) {
        dequeue(q);
    }
    free(q);
}
int main() {
    struct queue* q = init();
    enqueue(q, 10);
    enqueue(q, 20);
    enqueue(q, 30);
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出10
    printf("%d\n", front(q)); // 输出20
    enqueue(q, 40);
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出20
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出30
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出40
    printf("%d\n", dequeue(q)); // 输出Queue Underflow
    destroy(q); // 销毁队列
    return 0;
}


结论


栈和队列作为常见的数据结构,在算法和程序设计中扮演着重要的角色。本文总结了栈和队列的特点、应用场景以及C语言实现。通过深入理解它们的原理和应用,可以更好地解决问题和优化算法。希望本文能够对读者对栈和队列的学习和应用提供帮助。

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