开卷数据结构~栈和队列详解

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了开卷数据结构~栈和队列详解相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

目录

前言

栈的实现

接口展示

栈结构创建

栈的初始化

栈的销毁

入栈

出栈

空栈判断

栈顶数据获取

栈存入数据个数

栈测试

队列

队列的实现

接口展示

队列类型创建

队列初始化

队列销毁

入队

出队

队列头结点数据

队列尾结点数据

队列存入数据个数

判断空队列

队列测试


前言


本章主要讲解:

数据结构中的栈和队列的知识以及如何实现


  • 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
  • 数据处理方式:
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
  • 图示:

 

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(数组在尾上插入数据的代价比较小)
  • 图示:数组栈

接口展示

注:定长的静态栈实际中不实用,所以我们主要实现支持动态增长的数组栈

// 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);

栈结构创建

动态数组栈具有三个元素:数组指针(指向开辟的空间),栈顶位置,栈的长度

  • 参考代码:
//栈类型结构
typedef struct Stack
{
	//数组栈(指向数组的指针)
	STDataType* a;
	//栈顶位置
	int top;
	//栈容量(数组长度)
	int capacity;
}ST;

栈的初始化

  • 注意:
  1. 栈顶的表示的位置需要考虑好
  • 参考代码:
//栈初始化
void StackInit(ST* ps)
{
	//避免传入空指针
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;//定义top为栈最后数据的后一个位置
	//也可以选择让top为当前最后数据的位置 则初始化top=-1;
	ps->capacity = 0;
	return;
}

栈的销毁

注:动态开辟的空间结束时也需要进行销毁(避免内存泄漏)

  • 参考代码:
//栈销毁
void StackDestroy(ST* ps)
{
	//避免传入空指针
	assert(ps);
	free(ps->a);//释放开辟的数组栈空间
	ps->a = NULL;//置空,避免造成野指针
}

入栈

  • 注意:
  1. 入栈考虑是否栈满,栈满则进行扩展栈长度
  2. 入栈成功更新栈顶位置
  • 参考代码:
//入栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->top == ps->capacity)//栈满的情况
	{
		//如果原来容量为0则让新容量为4,否则为两倍
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		//调整数组栈大小(特别的:当数组指针为NULL时,realloc的作用和malloc的作用一样)
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, sizeof(ST) * newcapacity);
		if (tmp == NULL)//tmp为NULL时则表示调整数组空间失败,那么就打印错误并结束进程
		{
			perror("realloc fail:");
			exit(-1);
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
	ps->a[ps->top] = x;//存入数据
	ps->top++;//top位置更新
	return;
}

出栈

  • 注意:
  1. 对于空栈不能再进行出栈
  2. 栈顶位置减减实现出栈的效果
  • 参考代码:
//出栈
void StackPop(ST* ps)
{
	//避免传入空指针
	assert(ps);
	//出栈到数据个数为0结束
	if (StackEmpty(ps))
		return;
	ps->top--;//让top减减得到出栈的效果
	return;
}

注:这里我们封装了一个判断空栈的函数便于调用

空栈判断

注:C语言没有定义bool类型(C99之前),要在C里面使用需要包含头文件 <stdbool.h>

  • 参考代码:
//是否为空栈
bool StackEmpty(ST* ps)
{
	//避免传入空指针
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}

栈顶数据获取

  • 注意:
  1. 空栈时无法获取数据

注:这采用比较暴力的方式(断言),当然也可以选择if条件判断(比较温柔)

  • 参考代码:
//获取栈顶数据
STDataType StackTop(ST* ps)
{
	//避免传入空指针
	assert(ps);
	//空栈(top-1会越界访问)
	assert(!StackEmpty(ps));//暴力断言不为空栈
	return ps->a[ps->top - 1];//这里top-1才是栈顶数据的下标
}

栈存入数据个数

  • 参考代码:
//栈使用大小(存入数据个数)
int StackSize(ST* ps)
{
	//避免传入空指针
	assert(ps);

	return ps->top;
}

栈测试

  • 示例代码:
void test()
{
	ST st;
	StackInit(&st);

	StackPush(&st, 1);
	StackPush(&st, 2);
	StackPush(&st, 3);
	StackPush(&st, 4);

	printf("%d ", StackTop(&st));
	StackPop(&st);
	printf("%d ", StackTop(&st));
	StackPop(&st);

	StackPush(&st, 5);
	StackPush(&st, 6);

	while (!StackEmpty(&st))
	{
		printf("%d ", StackTop(&st));
		StackPop(&st);
	}
	StackDestroy(&st);
}
  • 结果示图:

队列


  • 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)
  • 数据处理方式
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
  • 图示:

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(出队列效率低
  • 图示:链表队列

接口展示

//默认队列数据类型
typedef int QDataType;

//队列节点类型(链表队列)
typedef struct QueueNode
{
	//址域
	struct QueueNode* next;
	//值域
	QDataType data;
}QueueNode;
//队列类型(记录队头和队尾)
typedef struct Queue
{
	QueueNode* head;//记录队列头结点地址
	QueueNode* tail;//记录队列尾结点地址
	// size_t _size;//记录队列数据个数(可有可无,自己选择)
}Queue;

//队列初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//void QueueInit(QueueNode** pphead, QueueNode** pptail);
//队列销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);
//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//出队列
void QueuePop(Queue* pq);
//队列头结点数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//队列尾节点数据
QDataType QueueBack(Queue* pq);
//队列存入数据个数
int QueueSize(Queue* pq);
//判断空队列
bool QueueEmpty(Queue* pq);

队列类型创建

首先我们是个链表队列,即需要创建节点类型
然后在队列常用到入栈和出栈操作(与头删和尾插相关),为了便于找到头结点和尾节点,这里创建一个队列结构体,类型成员为两个结点指针,用来记录头结点和尾节点地址
  • 参考代码:
//默认队列数据类型
typedef int QDataType;

//队列节点类型(链表队列)
typedef struct QueueNode
{
	//址域
	struct QueueNode* next;
	//值域
	QDataType data;
}QueueNode;
//队列类型(记录队头和队尾)
typedef struct Queue
{
	QueueNode* head;//记录队列头结点地址
	QueueNode* tail;//记录队列尾结点地址
	// size_t _size;//记录队列数据个数(可有可无,自己选择)
}Queue;

队列初始化

最开始没有数据,即头指针和尾指针都为NULL

  • 参考代码:
//队列初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	//避免传入参数错误
	assert(pq);
	//初始化
	pq->head = pq->tail = NULL;
	return;
}

队列销毁

  • 注意:
  1. 结点时一个个开辟的,需要一个个进行释放
  2. 释放前记得保存下个节点地址,避免地址丢失

参考代码:

//队列销毁
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	//避免传入参数错误
	assert(pq);
	//创建寻址指针
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		//保存下个结点地址
		QueueNode* next = cur->next;
		//释放当前结点
		free(cur);
		//找到下一个结点
		cur = next;
	}
	return;
}

入队

  • 注意:
  1. 入队开辟新结点并初始化
  2. 尾插考虑空队列的情况
  • 参考代码:
//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	//避免传入参数错误
	assert(pq);
	//创建结点并初始化
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	//放入队尾
	if (pq->head == NULL)//为空栈的特殊情况
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;//尾插
		pq->tail = newnode;//记录新尾节点
	}
	return;
}

出队

  • 注意:
  1. 空队列无法再进行出队
  2. 出队需要对出队结点释放并更新头指针位置
  • 参考代码:
//出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
	//避免传入参数错误
	assert(pq);
	//为空队列无法出队列
	assert(!QueueEmpty(pq));
	//保存下一个结点
	QueueNode* next = pq->head->next;
	//释放队列头
	free(pq->head);
	//队头更新
	pq->head = next;
	return;
}

队列头结点数据

  • 注意:
  1. 空队列没有数据
  • 参考代码:
//队列头结点数据
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	//避免传入参数错误
	assert(pq);
	//为空队列没有数据
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->head->data;
}

队列尾结点数据

  • 注意:
  1. 空队列没有数据
  • 参考代码:
//队列尾节点数据
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	//避免传入参数错误
	assert(pq);
	//为空队列没有数据
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->tail->data;
}

队列存入数据个数

  • 参考代码:
//队列存入数据个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	//避免传入参数错误
	assert(pq);
	int size = 0;
	//遍历队列
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

判断空队列

注:同样的对于C语言使用布尔类型需要包含<stdbool.h>头文件

  • 参考代码:
//判断空队列
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	//避免传入参数错误
	assert(pq);

	return pq->head == NULL;
}

队列测试

  • 测试代码:
void test()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QDataType front = QueueFront(&q);
	printf("%d ", front);
	QueuePop(&q);

	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);

	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		QDataType front = QueueFront(&q);
		printf("%d ", front);
		QueuePop(&q);
	}
	printf("\\n");
}
  • 结果示图:

对上述内容有什么问题记得留言呦~可以的话记得留下你的三连哈!~

以上是关于开卷数据结构~栈和队列详解的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

数据结构 Java 版详解栈和队列的实现

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