【数据结构】—手把手带你用C语言实现栈和队列（超详细！）-阿里云开发者社区

后进先出—栈

什么是栈？

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。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。

什么是后进先出？

一图让你明白~

栈的实现？

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。但是由于数组是在定义完后对于空间是固定的，因此如果单纯用数组实现，如果申请空间过大会浪费空间，太小又会造成空间不够的问题，因此，本文采用支持动态增长的栈，也就是动态开辟空间的方法。

对此，我们先了解一下咱们栈的操作

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。

栈实现需要设置的参数？

由于咱们要实现的是动态扩容因此定义如下：

// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
  STDataType* _a;
  int _top;   // 栈顶
  int _capacity;  // 容量 
}Stack;

此处对于相关栈所定义的元素进行解释：

1、 STDataType* _a 作为动态扩容的作用。

2、int _top 作为记录栈顶位置的作用。

3、int _capacity 作为记录栈容量的作用。

啥意思呢？

一图让你明白~

要实现的功能？

同我们之前所学的链表、线性表一样，需要实现基本的增、删、查、改！但是需要注意的是，我们的查与修只能在固定的一端进行！而不能进行改的操作！对此我们写出相应的接口函数。
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps);
// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data);
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps);
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps);
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps);
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
int StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

栈的C语言代码实现

初始化

void StackInit(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  ps->_a = NULL;
  ps->_capacity = 0;
  ps->_top = -1;
}

注意：解释一下为什么这里top要设置成-1，主要是因为后续的操作中，比如：判空的操作的差异、在入栈时操作的差异，当然，top也可以设置成0，但后续的操作会有所差异。

入栈

void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
  assert(ps);
  if (ps->_capacity - 1 == ps->_top)//匹配上初始化top=-1
  {
    int newcap = ps->_capacity == 0 ? MAX : ps->_capacity * 2;
    STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->_a, newcap*sizeof(STDataType));
    if (tmp == NULL)
    {
      perror("realloc fail");
      return;
    }
    ps->_capacity = newcap;
    ps->_a = tmp;
  }
  ps->_a[++ps->_top] = data;
}

入栈时首先判断空间是否足够，如果不够则扩容，够则直接入栈

判空

int StackEmpty(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->_top==-1;
}

出栈

void StackPop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(!StackEmpty(ps));
  ps->_top--;
}

取栈顶元素

void StackPop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(!StackEmpty(ps));
  ps->_top--;
}

计算栈内数据个数

int StackSize(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->_top+1;
}

销毁栈

void StackDestroy(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  free(ps->_a);
  ps->_a = NULL;
}

栈的整体代码

头文件

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 01
#define MAX 4
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
  STDataType* _a;
  int _top;   // 栈顶
  int _capacity;  // 容量 
}Stack;
// 初始化栈 
void StackInit(Stack* ps);
// 入栈 
void StackPush(Stack* ps, STDataType data);
// 出栈 
void StackPop(Stack* ps);
// 获取栈顶元素 
STDataType StackTop(Stack* ps);
// 获取栈中有效元素个数 
int StackSize(Stack* ps);
// 检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0 
int StackEmpty(Stack* ps);
// 销毁栈 
void StackDestroy(Stack* ps);

函数实现

#include "stack.h"
void StackInit(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  ps->_a = NULL;
  ps->_capacity = 0;
  ps->_top = -1;
}
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
  assert(ps);
  if (ps->_capacity - 1 == ps->_top)
  {
    int newcap = ps->_capacity == 0 ? MAX : ps->_capacity * 2;
    STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->_a, newcap*sizeof(STDataType));
    if (tmp == NULL)
    {
      perror("realloc fail");
      return;
    }
    ps->_capacity = newcap;
    ps->_a = tmp;
  }
  ps->_a[++ps->_top] = data;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(!StackEmpty(ps));
  ps->_top--;
}
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(!StackEmpty(ps));
  return ps->_a[ps->_top];
}
int StackSize(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->_top+1;
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->_top==-1;
}
void StackDestroy(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  free(ps->_a);
  ps->_a = NULL;
}

测试用例

#include"stack.h"
void test()
{
  Stack st;
  StackInit(&st);
  StackPush(&st, 1);
  StackPush(&st, 2);
  StackPush(&st, 3);
  StackPop(&st);
  StackPush(&st, 4);
  StackPush(&st, 5);
  printf("%d\n", StackSize(&st));
  while (!StackEmpty(&st))
  {
    printf("%d ", StackTop(&st));
    StackPop(&st);
  }
  printf("\n%d\n", StackSize(&st));
  StackDestroy(&st);
}
int main()
{
  test();
  return 0;
}

测试结果：

先进先出—队列

什么是队列？

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) 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。

什么是先进先出？

相信在前面了解过后进先出的你应该有一定的概念了，一图让你明白~

队列的实现？

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。

队列的实现需要设置的参数？

根据链表的定义如下：

typedef int QDataType;
// 链式结构：表示队列 
typedef struct QListNode
{
  struct QListNode* _next;
  QDataType _data;
}QNode;
// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
  QNode* _front;
  QNode* _rear;
}Queue;

注意：QNode是基本的链表结构，而在QNode的基础上建立的Queue是作为真正的队列的结构，其中 _front 是作为记录队头位置的一个指针，而相应的 _rear 是作为记录队尾位置的一个指针。

一图让你明了~

要实现的功能？

同我们之前所学的链表、线性表一样，需要实现基本的增、删、查、改！但是需要注意的是，增的操作在一端进行，而删的操作在另外一端进行，并且同栈一样不能进行改的操作！对此我们写出相应的接口函数。

// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data);
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q);
// 检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
int QueueEmpty(Queue* q);
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q);

队列的C语言实现

初始化

void QueueInit(Queue* q)
{
  assert(q);
  q->_front = NULL;
  q->_rear = NULL;
}

你可能有个问题？为什么需要将两个指针都置空呢？初始化指针是一方面，而最主要的是为了让两个指针在最开始都指向同一个位置，然后头指针（也就是front）是只有在出队时才会移动的！尾指针（也就是rear）是只有在出队时才会移动的！这也是后续判空等操作的关键。

入队列

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
  assert(q);
  QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
  if (newnode == NULL)
  {
    perror("malloc fail");
    return;
  }
  newnode->_next = NULL;
  newnode->_data = data;
  if (q->_rear == NULL)
  {
    assert(q->_front == NULL);
    q->_front = q->_rear = newnode;
  }
  else
  {
    q->_rear->_next = newnode;
    q->_rear = newnode;
  }
}

入队列时需要判断头、尾指针是否为都为空，以此来确定是在头部插入还是在尾部插入。

判空

int QueueEmpty(Queue* q)
{
  assert(q);
  return q->_front==NULL&&q->_rear==NULL;
}

出队列

void QueuePop(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(!QueueEmpty(&q));
  if (q->_front == q->_rear)//一个节点
  {
    free(q->_front);
    q->_front = NULL;
    q->_rear = NULL;
  }
  else
  {
    QNode* next = q->_front->_next;
    free(q->_front);
    q->_front = next;
  }
}

取头节点元素

QDataType QueueFront(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(!QueueEmpty(&q));
  return q->_front->_data;
}

计算队列内数据个数

int QueueSize(Queue* q)
{
  QNode* cur = q->_front;
  int size = 0;
  if (cur != NULL)
  {
    size++;
    while (cur != q->_rear)
    {
      size++;
      cur = cur->_next;
    }
  } 
    return size;
}

销毁队列

void QueueDestroy(Queue* q)
{
  assert(q);
  QNode* cur = q->_front;
  while (cur)
  {
    QNode* next = cur->_next;
    free(cur);
    cur = next;
  }
  q->_front = NULL;
  q->_rear = NULL;
}

队列的整体代码

头文件

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 01
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
typedef int QDataType;
// 链式结构：表示队列 
typedef struct QListNode
{
  struct QListNode* _next;
  QDataType _data;
}QNode;
// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
  QNode* _front;
  QNode* _rear;
}Queue;
// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data);
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q);
// 检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
int QueueEmpty(Queue* q);
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q);

函数实现

#include "queue.h"
void QueueInit(Queue* q)
{
  assert(q);
  q->_front = NULL;
  q->_rear = NULL;
}
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
  assert(q);
  QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
  if (newnode == NULL)
  {
    perror("malloc fail");
    return;
  }
  newnode->_next = NULL;
  newnode->_data = data;
  if (q->_rear == NULL)
  {
    assert(q->_front == NULL);
    q->_front = q->_rear = newnode;
  }
  else
  {
    q->_rear->_next = newnode;
    q->_rear = newnode;
  }
}
void QueuePop(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(!QueueEmpty(&q));
  if (q->_front == q->_rear)//一个节点
  {
    free(q->_front);
    q->_front = NULL;
    q->_rear = NULL;
  }
  else
  {
    QNode* next = q->_front->_next;
    free(q->_front);
    q->_front = next;
  }
}
QDataType QueueFront(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(!QueueEmpty(&q));
  return q->_front->_data;
}
QDataType QueueBack(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(!QueueEmpty(&q));
  return q->_rear->_data;
}
int QueueSize(Queue* q)
{
  QNode* cur = q->_front;
  int size = 0;
  if (cur != NULL)
  {
    size++;
    while (cur != q->_rear)
    {
      size++;
      cur = cur->_next;
    }
  } 
    return size;
}
int QueueEmpty(Queue* q)
{
  assert(q);
  return q->_front==NULL&&q->_rear==NULL;
}
void QueueDestroy(Queue* q)
{
  assert(q);
  QNode* cur = q->_front;
  while (cur)
  {
    QNode* next = cur->_next;
    free(cur);
    cur = next;
  }
  q->_front = NULL;
  q->_rear = NULL;
}1. #i

测试用例

#include"queue.h"
void test()
{
  Queue qu;
  QueueInit(&qu);
  QueuePush(&qu, 1);
  QueuePush(&qu, 2);
  printf("%d\n", QueueBack(&qu));
  QueuePush(&qu, 3);
  QueuePush(&qu, 4);
  printf("%d\n", QueueSize(&qu));
  while(!QueueEmpty(&qu))
  {
    printf("%d ", QueueFront(&qu));
    QueuePop(&qu);
  }
  printf("\n%d\n", QueueSize(&qu));
  QueueDestroy(&qu);
}
int main()
{
  test();
  return 0;
}

测试结果：

感谢你耐心的看到这里ღ( ´･ᴗ･` )比心，如有哪里有错误请踢一脚作者o(╥﹏╥)o！

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计算栈内数据个数

销毁栈

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函数实现

测试用例

先进先出—队列

什么是队列？

什么是先进先出？

队列的实现？

队列的实现需要设置的参数？

要实现的功能？

队列的C语言实现

初始化

入队列

判空

出队列

取头节点元素

计算队列内数据个数

销毁队列

队列的整体代码

头文件

函数实现

测试用例

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