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【数据结构】第七站：栈和队列力扣题

2023-11-14 24
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简介： 【数据结构】第七站：栈和队列力扣题


一、用队列实现栈

题目链接：力扣

对于这道题，我们想要使用两个队列去实现栈

队列的性质是先进先出，而栈的性质是先进后出

为了实现性质转换，我们需要有一个队列时刻保持空状态，当我们想要入栈的时候，我们在不是空的队列进行插入即可

而想要实现出栈，假设又n+1个数据，先将前n个数据给倒入另一个空队列，最后出最后一个数据即可

有了思路，但是这道题最难的地方就是栈的结构了。也就是创建栈的函数，根据题目的要求，我们是需要创建一个栈并且返回这个栈的指针的。所以这个创建栈的函数就类似于带头双向循环链表的创建。如下图所示，是我们这个栈的结构

所以我们很容易就写出来了第一个函数

MyStack* myStackCreate() {
    MyStack* st=(MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(&(st->q1));
    QueueInit(&(st->q2));
    return st;
}

我们将栈的结构给构建出来以后，这个题目就变得十分简单了。事实上，栈和队列的本身实现并不难，难的是结构的构造

最终代码为

typedef int QDateType;
typedef struct QNode
{
  QDateType data;
  struct QNode* next;
}QNode;
typedef  struct Queue
{
  QNode* head;
  QNode* tail;
  int size;
}Queue;
//初始化队列
void QueueInit(Queue* q);
//队尾入队列
void QueuePush(Queue* q, QDateType x);
//队头出队列
void QueuePop(Queue* q);
//获取队列头部元素
QDateType QueueFront(Queue* q);
//获取队列尾部元素
QDateType QueueBack(Queue* q);
//获取队列中的有效元素个数
int QueueSize(Queue* q);
//检测队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* q);
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q);
//初始化队列
void QueueInit(Queue* q)
{
  assert(q);
  q->head = NULL;
  q->tail = NULL;
  q->size = 0;
}
//申请一个结点
QNode* BuyQNode(QDateType x)
{
  QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
  if (newnode == NULL)
  {
    perror("malloc fail");
    return NULL;
  }
  newnode->next = NULL;
  newnode->data = x;
  return newnode;
}
//队尾入队列
void QueuePush(Queue* q, QDateType x)
{
  assert(q);
  QNode* newnode = BuyQNode(x);
  if (q->tail == NULL)
  {
    q->head = q->tail = newnode;
  }
  else
  {
    q->tail->next = newnode;
    q->tail = q->tail->next;
  }
  q->size++;
}
//队头出队列
void QueuePop(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(q->head);
  QNode* first = q->head->next;
  free(q->head);
  q->head = first;
  q->size--;
  if (q->head == NULL)
  {
    q->tail = NULL;
  }
}
//获取队列头部元素
QDateType QueueFront(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(q->head);
  return q->head->data;
}
//获取队列尾部元素
QDateType QueueBack(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(q->head);
  return q->tail->data;
}
//获取队列中的有效元素个数
int QueueSize(Queue* q)
{
  assert(q);
  return q->size;
}
//检测队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* q)
{
  assert(q);
  return q->head == NULL;
}
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q)
{
  assert(q);
  QNode* cur = q->head;
  while (cur)
  {
    QNode* next = cur->next;
    free(cur);
    cur = next;
  }
  q->head = q->tail = NULL;
  q->size = 0;
}
typedef struct {
    Queue q1;
    Queue q2;
} MyStack;
MyStack* myStackCreate() {
    MyStack* st=(MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(&(st->q1));
    QueueInit(&(st->q2));
    return st;
}
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
    assert(obj);
    return QueueEmpty(&(obj->q1))&&QueueEmpty(&(obj->q2));
}
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
    assert(obj);
    Queue* emptyq=&(obj->q1);
    Queue* noemptyq=&(obj->q2);
    if(!QueueEmpty(emptyq))
    {
        noemptyq=&(obj->q1);
        emptyq=&(obj->q2);
    }
    QueuePush(noemptyq,x);
}
int myStackPop(MyStack* obj) {
    assert(obj);
    assert(!myStackEmpty(obj));
    Queue* emptyq=&(obj->q1);
    Queue* noemptyq=&(obj->q2);
    if(!QueueEmpty(emptyq))
    {
        noemptyq=&(obj->q1);
        emptyq=&(obj->q2);
    }
    while(QueueSize(noemptyq)>1)
    {
        QDateType x=QueueFront(noemptyq);
        QueuePop(noemptyq);
        QueuePush(emptyq,x);
    }
    QDateType x=QueueFront(noemptyq);
    QueuePop(noemptyq);
    return x;
}
int myStackTop(MyStack* obj) {
    assert(obj);
    assert(!myStackEmpty(obj));
    Queue* emptyq=&(obj->q1);
    Queue* noemptyq=&(obj->q2);
    if(!QueueEmpty(emptyq))
    {
        noemptyq=&(obj->q1);
        emptyq=&(obj->q2);
    }
    while(QueueSize(noemptyq)>1)
    {
        QDateType x=QueueFront(noemptyq);
        QueuePop(noemptyq);
        QueuePush(emptyq,x);
    }
    QDateType x=QueueFront(noemptyq);
    QueuePush(emptyq,x);
    QueuePop(noemptyq);
    //QDateType x=QueueBack(noemptyq);
    return x;
}
void myStackFree(MyStack* obj) {
    QueueDestroy(&(obj->q1));
    QueueDestroy(&(obj->q2));
    free(obj);
}
/**
 * Your MyStack struct will be instantiated and called as such:
 * MyStack* obj = myStackCreate();
 * myStackPush(obj, x);
 * int param_2 = myStackPop(obj);
 * int param_3 = myStackTop(obj);
 * bool param_4 = myStackEmpty(obj);
 * myStackFree(obj);
*/

二、用栈实现队列

题目链接：力扣

对于这道题，与上面的题目十分类似，我们使用两各栈去模拟一个队列。那么我们可以这样做，一个栈专门用来入数据，一个栈专门用来出数据，当出数据的栈为空的时候，将入数据的栈的数据全部导入出数据的栈中。这样我们就可以模拟出一个队列

同样的，这个题的难点，仍然是结构。

如上所示，是我们的结构示意图

typedef struct {
    Stack push;
    Stack pop;
} MyQueue;

一旦我们将结构给理清楚了，那么这道题就易如反掌了

typedef int  STDateType;
typedef struct Stack
{
  STDateType* a;
  int top;
  int capacity;
}Stack;
//栈的初始化
void StackInit(Stack* ps);
//栈的销毁
void StackDestroy(Stack* ps);
//入栈
void StackPush(Stack* ps, STDateType x);
//出栈
void StackPop(Stack* ps);
//栈的个数
int StackSize(Stack* ps);
//栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps);
//取出栈顶的数据
STDateType StackTop(Stack* ps);
//栈的初始化
void StackInit(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  ps->a = (STDateType*)malloc(sizeof(STDateType) * 4);
  if (ps->a == NULL)
  {
    perror("malloc fail");
    return;
  }
  ps->top = 0;
  ps->capacity = 4;
}
//栈的销毁
void StackDestroy(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  free(ps->a);
  ps->a = NULL;
  ps->top = 0;
  ps->capacity = 0;
}
//入栈
void StackPush(Stack* ps, STDateType x)
{
  assert(ps);
  if (ps->top == ps->capacity)
  {
    STDateType* tmp = (STDateType*)realloc(ps->a, ps->capacity * 2 * sizeof(STDateType));
    if (tmp == NULL)
    {
      perror("realloc fail");
      return;
    }
    ps->a = tmp;
    ps->capacity *= 2;
  }
  ps->a[ps->top] = x;
  ps->top++;
}
//出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(!StackEmpty(ps));
  ps->top--;
}
//栈的个数
int StackSize(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->top;
}
//栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  return ps->top == 0;
}
//取出栈顶的数据
STDateType StackTop(Stack* ps)
{
  assert(ps);
  assert(!StackEmpty(ps));
  return ps->a[ps->top - 1];
}
typedef struct {
    Stack push;
    Stack pop;
} MyQueue;
MyQueue* myQueueCreate() {
    MyQueue* q=(MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    if(q==NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        return NULL;
    }
    StackInit(&(q->push));
    StackInit(&(q->pop));
    return q;
}
bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    return StackEmpty(&(obj->push))&&StackEmpty(&(obj->pop));
}
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
    assert(obj);
    StackPush(&(obj->push),x);
}
int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    assert(!myQueueEmpty(obj));
    if(StackEmpty(&(obj->pop)))
    {
        while(!StackEmpty(&(obj->push)))
        {
            STDateType x=StackTop(&(obj->push));
            StackPop(&(obj->push));
            StackPush(&(obj->pop),x);
        }
    }
    STDateType x=StackTop(&(obj->pop));
    StackPop(&(obj->pop));
    return x;
}
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    assert(!myQueueEmpty(obj));
    if(StackEmpty(&(obj->pop)))
    {
        while(!StackEmpty(&(obj->push)))
        {
            STDateType x=StackTop(&(obj->push));
            StackPop(&(obj->push));
            StackPush(&(obj->pop),x);
        }
    }
    STDateType x=StackTop(&(obj->pop));
    return x;
}
void myQueueFree(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    StackDestroy(&(obj->push));
    StackDestroy(&(obj->pop));
    free(obj);
    obj=NULL;
}
/**
 * Your MyQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyQueue* obj = myQueueCreate();
 * myQueuePush(obj, x);
 * int param_2 = myQueuePop(obj);
 * int param_3 = myQueuePeek(obj);
 * bool param_4 = myQueueEmpty(obj);
 * myQueueFree(obj);
*/

三、设计循环队列

题目链接：力扣

对于这道题，设计循环队列，我们最容易想到的方法就是使用链表。不难想到，对于单链表只需要将头尾给链接起来，似乎就能变成循环队列了

我们假设k为4，

我们一开始让front和rear都指向第一个元素，当需要入队列的时候，rear指向下一个元素

当想要出队列的时候，让front往后走一步即可

我们继续入队列，当数据入满的时候，如下图所示，我们发现一个问题，队列满和队列空都始front和rear相等，无法辨别。

为了解决这个问题，我们有两种解决方案：

1.使用一个变量size来记住队列有几个元素

2.多开辟一个结点，这样当队列满的时候，rear->next==front这就是判断队列满的标志了，得以区分

这样了以后，其实还是有一点问题的，如果我们需要取出尾数据的话，十分难受，我们必须得去遍历链表。

当然我们可以多定义一个指针有进行处理，但是这样代码可读性变差了

由上述分析得知，循环队列并不适合使用链表来实现，反而适合数组。

想要使用数组来实现，那么我们得先分析基本的思路

如果使用数组来模拟的话，首先我们假设k为4，为了区分满与空，我们需要开辟5个空间

当我们入队的时候，rear++

当我们出队的时候，front++

当数据一直插入直到满的时候，数组为下面的情景

此时rear+1==front，代表队列已满

有了上述的分析，那么这道题就很简单了，代码如下所示：

typedef struct {
    int* a;
    int front;
    int rear;
    int k;
} MyCircularQueue;
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    assert(obj);
    return obj->front==obj->rear;
}
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    assert(obj);
    return obj->front==(obj->rear+1)%(obj->k+1);
}
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* q=(MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    q->a=(int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
    q->front=0;
    q->rear=0;
    q->k=k;
    return q;
}
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->a[obj->rear]=value;
    obj->rear++;
    obj->rear %= obj->k+1;
    return true;
}
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->front++;
    obj->front %= obj->k+1;
    return true;
}
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->a[obj->front];
}
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->a[(obj->rear-1+obj->k+1)%(obj->k+1)];
}
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    assert(obj);
    free(obj->a);
    obj->a=NULL;
    obj->front=0;
    obj->rear=0;
    obj->k=0;
    free(obj);
    obj=NULL;
}   
/**
 * Your MyCircularQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyCircularQueue* obj = myCircularQueueCreate(k);
 * bool param_1 = myCircularQueueEnQueue(obj, value);
 * bool param_2 = myCircularQueueDeQueue(obj);
 * int param_3 = myCircularQueueFront(obj);
 * int param_4 = myCircularQueueRear(obj);
 * bool param_5 = myCircularQueueIsEmpty(obj);
 * bool param_6 = myCircularQueueIsFull(obj);
 * myCircularQueueFree(obj);
*/

本期内容到此为止

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关键词：
数据结构栈队列
数据结构栈
数据结构队列
数据结构栈和队列
LeetCode数据结构
青色忘川
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