队列练习之Example005-Q 是一个队列,S 是一个空栈,实现将队列中的元素逆置的算法

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Example005

题目

Q 是一个队列,S 是一个空栈,实现将队列中的元素逆置的算法。

分析

主要考查对队列和栈的特性与操作。由于对队列的一系列操作不可能将其中的元素全部逆置,而栈可以将入栈的元素逆序提取出来,因此我们可以让队列中的元素逐个出队列,一一入栈;全部入栈后再逐个入栈,一一入队列。

图解

C实现

核心代码:

/**
 * 逆置队列中的所有元素,假设栈的空间足够大
 * @param Q 装了元素的队列
 * @param S 空栈
 */
void inversionQueue(SeqQueue *Q, SeqStack *S) 
    // 1.先将队列 Q 中所有元素压入栈 S 中
    while (!isEmptyQueue(*Q)) // 如果队列不为空,则一直将元素出队
        // 局部变量,记录出队元素
        int ele;
        // 将队头元素出队
        deQueue(Q, &ele);
        // 将队头元素压入栈中
        push(S, ele);
    
    // 2.再将栈 S 中所有元素重新入队,即完成逆置
    while (!isEmptyStack(*S)) // 如果栈不为空,则一直将元素出栈
        // 局部变量,记录栈顶元素
        int top;
        // 将栈顶元素出栈
        pop(S, &top);
        // 再将栈顶元素入队
        enQueue(Q, top);
    

完整代码:

/*
Q 是一个队列,S 是一个空栈,实现将队列中的元素逆置的算法。
*/

#include<stdio.h>

/**
 * 顺序队列中能存储的最大元素个数
 */
#define QUEUE_MAXSIZE 10

/**
 * 顺序队列结构体定义
 */
typedef struct 
    /**
     * 数据域,存储队列中的数据
     */
    int data[QUEUE_MAXSIZE];
    /**
     * 指针域,队头指针。在空队列中,队头指针指向 0;在非空队列中,队头指针始终指向队头元素
     */
    int front;
    /**
     * 指针域,队尾指针。在空队列中,队尾指针指向 0;在非空队列中,队尾指针始终指向队尾元素的下一位置
     */
    int rear;
 SeqQueue;

/**
 * 初始化顺序队列
 * @param queue 未初始化的顺序队列
 */
void initQueue(SeqQueue *queue) 
    // 初始化顺序队列,将队头指针和队尾指针都指向 0
    // 有些实现中将队头指针和队尾指针指向 -1,这无所谓,只要能够实现队列功能即可
    queue->front = 0;
    queue->rear = 0;


/**
 * 判断顺序队列是否为空
 * @param queue 顺序队列
 * @return 如果顺序队列为空则返回 1,否则返回 0 表示非空队列
 */
int isEmptyQueue(SeqQueue queue) 
    // 如果队头指针和队尾指针都指向同一位置,则表示队列处于空
    // 因为队头指针和队尾指针在不断变化,只要它们相等就表示是空队列,其中 front 和 rear 可能是 0,有可能是 4,而非一直都初始化值
    if (queue.front == queue.rear) 
        return 1;
     else 
        return 0;
    


/**
 * 将元素入队,即插入到队尾
 * @param queue 顺序队列
 * @param ele 待入队的元素
 * @return 如果入队成功则返回 1,否则返回 0 表示入队失败
 */
int enQueue(SeqQueue *queue, int ele) 
    // 0.参数校验,如果队满,则不能入队
    if (queue->rear == QUEUE_MAXSIZE) 
        return 0;
    
    // 1.将元素入队
    // 1.1 先进行赋值,初始时队头指针指向 0
    queue->data[queue->rear] = ele;
    // 1.2 然后将队尾指针加一
    queue->rear++;
    // 1.3 返回 1 表示入队成功
    return 1;


/**
 * 将元素出队,即出队队头元素
 * @param queue 顺序队列
 * @param ele 用来保存出队元素
 * @return 如果出队成功则返回 1,否则返回 0 表示出队失败
 */
int deQueue(SeqQueue *queue, int *ele) 
    // 0.参数校验,如果队空则不能出队
    if (queue->front == queue->rear) 
        return 0;
    
    // 1.将元素出队
    // 1.1 用 ele 保存队头元素
    *ele = queue->data[queue->front];
    // 1.2 将队头指针加一,表示删除队头元素,使得队头指针始终指向队头元素
    queue->front++;
    // 1.3 返回 1 表示出队成功
    return 1;


/**
 * 打印顺序队列中从队头到队尾的所有元素
 * @param queue 顺序队列
 */
void printQueue(SeqQueue queue) 
    printf("[");
    for (int i = queue.front; i < queue.rear; i++) 
        printf("%d", queue.data[i]);
        if (i != queue.rear - 1) 
            printf(", ");
        
    
    printf("]\\n");


/**
 * 顺序栈最大存储的元素个数
 */
#define STACK_MAXSIZE 100

/**
 * 顺序栈结构体定义
 */
typedef struct 
    /**
     * 数据域,数组,用来存储栈中元素
     */
    int data[STACK_MAXSIZE];
    /**
     * 指针域,表示栈顶指针,实际上就是数组下标
     */
    int top;
 SeqStack;

/**
 * 初始化顺序栈,即将栈顶指针指向 -1 表示空栈
 * @param stack 顺序栈
 */
void initStack(SeqStack *stack) 
    // 设定让栈顶指针指向 -1 表示为栈空
    stack->top = -1;


/**
 * 判断顺序栈是否为空
 * @param stack 顺序栈
 * @return 如果顺序栈为空则返回 1,否则返回 0
 */
int isEmptyStack(SeqStack stack) 
    // 只需要判断栈顶指针是否等于 -1 即可,如果是空栈则返回 1,不是空栈则返回 0
    if (stack.top == -1) 
        return 1;
     else 
        return 0;
    


/**
 * 将元素入栈
 * @param stack 顺序栈
 * @param ele 元素值
 * @return 如果栈满则返回 0 表示入栈失败;如果插入成功则返回 1
 */
int push(SeqStack *stack, int ele) 
    // 1.参数校验,如果栈满则不能入栈元素
    if (stack->top == STACK_MAXSIZE - 1) 
        // 如果栈满,则返回 0,表示不能入栈
        return 0;
    
    // 2.先将栈顶指针加一,指向新空数组位置
    stack->top++;
    // 3.将新元素值填充到新位置中
    stack->data[stack->top] = ele;
    return 1;


/**
 * 将元素出栈
 * @param stack 顺序栈
 * @param ele 用来保存出栈的元素
 * @return 如果栈空则返回 0 表示出栈失败;否则返回 1 表示出栈成功
 */
int pop(SeqStack *stack, int *ele) 
    // 1.参数校验,栈空不能出栈
    if (stack->top == -1) 
        // 栈空,没有元素可出栈
        return 0;
    
    // 2.用 ele 来保存顺序栈栈顶元素
    *ele = stack->data[stack->top];
    // 3.然后栈顶指针减一,表示出栈一个元素
    stack->top--;
    return 1;


/**
 * 逆置队列中的所有元素,假设栈的空间足够大
 * @param Q 装了元素的队列
 * @param S 空栈
 */
void inversionQueue(SeqQueue *Q, SeqStack *S) 
    // 1.先将队列 Q 中所有元素压入栈 S 中
    while (!isEmptyQueue(*Q)) // 如果队列不为空,则一直将元素出队
        // 局部变量,记录出队元素
        int ele;
        // 将队头元素出队
        deQueue(Q, &ele);
        // 将队头元素压入栈中
        push(S, ele);
    
    // 2.再将栈 S 中所有元素重新入队,即完成逆置
    while (!isEmptyStack(*S)) // 如果栈不为空,则一直将元素出栈
        // 局部变量,记录栈顶元素
        int top;
        // 将栈顶元素出栈
        pop(S, &top);
        // 再将栈顶元素入队
        enQueue(Q, top);
    


int main() 
    // 声明一个队列并初始化
    SeqQueue queue;
    initQueue(&queue);

    // 为队列添加一些测试数据
    enQueue(&queue, 11);
    enQueue(&queue, 22);
    enQueue(&queue, 33);
    enQueue(&queue, 44);
    enQueue(&queue, 55);

    // 声明一个栈并初始化为空栈
    SeqStack stack;
    initStack(&stack);

    // 打印逆置前的队列
    printQueue(queue);
    // 调用函数逆置队列元素
    inversionQueue(&queue, &stack);
    // 打印逆置后的队列
    printQueue(queue);

执行结果:

[11, 22, 33, 44, 55]
[55, 44, 33, 22, 11]

Java实现

核心代码:

    /**
     * 逆置队列
     *
     * @param Q 队列
     * @param S 空栈
     * @throws Exception 如果顺序栈已满再入栈则会抛出异常
     */
    public static void inversionQueue(CircularQueue Q, SeqStack S) throws Exception 
        // 1.先将队列 Q 中所有元素压入栈 S 中
        while (!Q.isEmpty()) // 如果队列不为空,则一直将元素出队
            // 局部变量,记录出队元素
            int ele;
            // 将队头元素出队
            ele = Q.deQueue();
            // 将队头元素压入栈中
            S.push(ele);
        
        // 2.再将栈 S 中所有元素重新入队,即完成逆置
        while (!S.isEmpty()) // 如果栈不为空,则一直将元素出栈
            // 局部变量,记录栈顶元素
            int top;
            // 将栈顶元素出栈
            top = S.pop();
            // 再将栈顶元素入队
            Q.enQueue(top);
        
    

完整代码:

public class Test 
    public static void main(String[] args) throws Exception 
        // 声明一个队列并初始化
        CircularQueue queue = new CircularQueue();
        queue.init();

        // 为队列添加一些测试数据
        queue.enQueue(11);
        queue.enQueue(22);
        queue.enQueue(33);
        queue.enQueue(44);
        queue.enQueue(55);

        // 声明一个栈并初始化为空栈
        SeqStack stack = new SeqStack();
        stack.init();

        // 打印逆置前的队列
        queue.print();
        // 调用函数逆置队列元素
        inversionQueue(queue, stack);
        // 打印逆置后的队列
        queue.print();
    

    /**
     * 逆置队列
     *
     * @param Q 队列
     * @param S 空栈
     * @throws Exception 如果顺序栈已满再入栈则会抛出异常
     */
    public static void inversionQueue(CircularQueue Q, SeqStack S) throws Exception 
        // 1.先将队列 Q 中所有元素压入栈 S 中
        while (!Q.isEmpty()) // 如果队列不为空,则一直将元素出队
            // 局部变量,记录出队元素
            int ele;
            // 将队头元素出队
            ele = Q.deQueue();
            // 将队头元素压入栈中
            S.push(ele);
        
        // 2.再将栈 S 中所有元素重新入队,即完成逆置
        while (!S.isEmpty()) // 如果栈不为空,则一直将元素出栈
            // 局部变量,记录栈顶元素
            int top;
            // 将栈顶元素出栈
            top = S.pop();
            // 再将栈顶元素入队
            Q.enQueue(top);
        
    

CircularQueue

public class CircularQueue 
    /**
     * 循环队列中能存储的最大元素个数
     */
    private final int MAXSIZE = 7;

    /**
     * 声明循环队列
     */
    private Queue queue;

    /**
     * 初始化循环队列
     */
    public void init() 
        queue = new Queue();
        // 为数据域分配存储空间
        queue.data = new int[MAXSIZE];
        // 循环队列初始时,队头指针和队尾指针仍然都指向 0,表示是空队列
        queue.front = 0;
        queue.rear = 0;
    

    /**
     * 判断循环队列是否为空
     *
     * @return 如果循环队列为空则返回 true,否则返回 false 表示非空
     */
    public boolean isEmpty() 
        // 只要队头指针和队尾指针相等,那么表示循环队列为空,无论指针在哪个位置
        return queue.rear == queue.front;
    

    /**
     * 判断循环队列是否已满
     *
     * @return 如果循环队列已满则返回 true,否则返回 false 表示队列非满
     */
    public boolean isFull() 
        // 队尾指针再加上一,然后对 MAXSIZE 取余,如果等于队头指针,那么表示队满
        return (queue.rear + 1) % MAXSIZE == queue.front;
    

    /**
     * 将元素入队
     *
     * @param ele 指定元素
     * @throws Exception 如果循环队列已满则不能入队,则抛出此异常
     */
    public void enQueue(int ele) throws Exception 
        // 0.参数校验,如果队满则不能入队
        if (isFull()) 
            throw new Exception("队列已满不能入队!");
        
        // 1.将元素入队
        // 1.1 先进行赋值,即将新元素填充到队尾指针指向的位置。因为队尾指针指向队尾元素的下一个位置
        queue.data[queue.rear] = ele;
        // 1.2 然后将队尾指针加一。因为是循环队列,如果到了队尾,那么又要从 0 开始,所以加一后需要对 MAXSIZE 进行取余
        queue.rear = (queue.rear + 1) % MAXSIZE;
    

    /**
     * 将元素出队
     *
     * @return 出队的元素
     * @throws Exception 如果队空则不能出队,则抛出此异常
     */
    public int deQueue() throws Exception 
        // 0.参数校验,如果队空则不能出队
        if (isEmpty()) 
            throw new Exception("队列为空不能出队!");
        
        // 1.将队头元素出队
        // 1.1 用 ele 保存队头指针所指向的元素
        int front = queue.data[queue.front];
        // 1.2 将队头指针加一,表示删除队头元素。因为是循环队列,所以要对 MAXSIZE 取余
        queue.front = (queue.front + 1) % MAXSIZE;
        // 1.3 返回队头元素
        return front;
    

    /**
     * 获取循环队列中的元素个数
     *
     * @return 队列中的元素个数
     */
    public int size() 
        // 如果是顺序队列,则元素个数是 rear-front
        // 如果是循环队列,则元素个数是 (rear-front+MAXSIZE)%MAXSIZE
        return (queue.rear - queue.front + MAXSIZE) % MAXSIZE;
    

    /**
     * 获取循环队列的队头元素
     *
     * @return 循环队列的队头元素
     * @throws Exception 如果队列为空则抛出此异常
     */
    public int getFront() throws Exception 
        // 0.参数校验,如果队列为空则没有队头元素,自然无法获取,所以抛出异常表示获取失败
        if (isEmpty()) 
            throw new Exception("队空不能获取队头元素!");
        
        // 1.返回队头元素,即队头指针所指向的元素
        return queue.data[queue.front];
    

    /**
     * 获取循环队列中的队尾元素
     *
     * @return 循环队列的队尾元素
     * @throws Exception 如果队列为空则抛出此异常
     */
    public int getRear() throws Exception 
        // 0.参数校验,如果队列为空则没有队尾元素,自然无法获取,所以抛出此异常表示获取失败
        if (isEmpty()) 
            throw new Exception("队空不能获取队尾元素!");
        
        // 1.返回队尾元素,由于队尾指针指向队尾元素的下一个位置,所以要队尾指针减一
        return queue.data[(queue.rear - 1 + MAXSIZE) % MAXSIZE];
    

    /**
     * 清空循环队列
     */
    public void clear() 
        // 即将队头指针和队尾指针都指向 0,表示恢复循环队列的初始状态,即空表
        queue.front = 0;
        queue.rear = 0;
    

    /**
     * 打印循环队列中从队头到队尾的所有元素
     */
    public void print() 
        System.out.print("[");
        int front = queue.front;
        while (front != queue.rear) 
            System.out.print(queue.data[front]);
            if (front != (queue.rear - 1 + MAXSIZE) % MAXSIZE) 
                System.out.print(", ");
            
            front = (front + 1) % MAXSIZE;
        
        System.out.print("]\\n");
    


/**
 * 循环队列定义
 */
class Queue 
    /**
     * 数据域,存储循环队列中的数据
     */
    int[] data;
    /**
     * 指针域,存储循环队列中队头元素的位置
     */
    int front;
    /**
     * 指针域,存储循环队列中队尾元素的位置
     */
    int rear;

SeqStack

public class SeqStack 
    /**
     * 常量,顺序栈所能容纳的最大元素个数
     */
    private final int MAXSIZE = 100;

    /**
     * 声明一个顺序栈
     */
    private Stack stack;

    /**
     * 初始化顺序栈
     */
    public void init() 
        // 实例化栈对象
        stack = new Stack();
        // 为数据域分配空间
        stack.data = new int[MAXSIZE];
        // 将顺序栈的栈顶指针指向 -1 表示空栈
        stack.top = -1;
    

    /**
     * 判断顺序栈是否为空
     *
     * @return 如果顺序栈为空则返回 true,否则返回 false
     */
    public boolean isEmpty() 
        // 规定了 -1 表示空栈,所以只需要判断栈顶指针是否等于 -1 即可
        return stack.top == -1;
    

    /**
     * 将指定元素入栈
     *
     * @param ele 指定元素
     * @throws Exception 如果栈满则不能入栈,抛出此异常
     */
    public void push(int ele) throws Exception 
        // 1.参数校验,如果栈满则不能

以上是关于队列练习之Example005-Q 是一个队列,S 是一个空栈,实现将队列中的元素逆置的算法的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

队列练习之Example004-设计一个循环队列,用 front 和 rear 分别作为队头和队尾指针,另外用一个标志 tag 表示队列是空还是不空

队列练习之Example002-用带头结点的循环链表表示队列,并且只设一个指针指向队尾结点,实现对应的入队列和出队列的算法

队列练习之Example003-如果允许在循环队列的两端都可以进行插入和删除操作,分别写出从队尾删除和从队头插入的算法

队列练习之Example006-设计队列要求入队时增加队列空间,出队后出队元素所占用空间可重复使用,以保持队列空间只增不减,并且要求入队操作和出队操作的时间复杂度都为O

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