【数据结构】实现栈和队列

一、栈

1.栈的概念及结构

（1）栈的概念

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。

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。

（2）栈的结构

2.栈的实现

（1）类型和函数的声明

栈的结构与顺序表相同，也是用数组。因为栈的特点是出栈、入栈在同一位置，所以用数组尾插更方便。

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* data;int top;int capacity;
}ST;
//初始化
void STInit(ST* ps);
//销毁
void STDestroy(ST* ps);
//入栈
void STPush(ST* ps, STDataType x);
//出栈
void STPop(ST* ps);
//检查是否为空
bool STEmpty(ST* ps);
//获取栈的元素个数
int STSize(ST* ps);
//获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* ps);

（2）初始化栈

void STInit(ST* ps)
{assert(ps);ps->data = NULL;ps->capacity = 0;ps->top = 0;
}

（3）销毁

void STDestroy(ST* ps)
{assert(ps);free(ps->data);ps->data = NULL;ps->capacity = 0;ps->top = 0;
}

（4）入栈

void STPush(ST* ps, STDataType x)
{assert(ps);if (ps->top == ps->capacity){int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->data, sizeof(STDataType) * newcapacity);if (tmp == NULL){perror("realloc fail");exit(-1);}ps->data = tmp;ps->capacity = newcapacity;}ps->data[ps->top] = x;ps->top++;
}

（5）出栈

void STPop(ST* ps)
{assert(ps);assert(ps->top > 0);ps->top--;
}

（6）检查是否为空

bool STEmpty(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}

（7）获取栈的元素个数

int STSize(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}

（8）获取栈顶元素

STDataType STTop(ST* ps)
{assert(ps);assert(ps->top > 0);return ps->data[ps->top - 1];
}

二、栈的全部代码

1.Stack.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* data;int top;int capacity;
}ST;
//初始化
void STInit(ST* ps);
//销毁
void STDestroy(ST* ps);
//入栈
void STPush(ST* ps, STDataType x);
//出栈
void STPop(ST* ps);
//检查是否为空
bool STEmpty(ST* ps);
//获取栈的元素个数
int STSize(ST* ps);
//获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* ps);

2Stack.c

#include "Stack.h"
//初始化
void STInit(ST* ps)
{assert(ps);ps->data = NULL;ps->capacity = 0;ps->top = 0;
}
//销毁
void STDestroy(ST* ps)
{assert(ps);free(ps->data);ps->data = NULL;ps->capacity = 0;ps->top = 0;
}
//入栈
void STPush(ST* ps, STDataType x)
{assert(ps);if (ps->top == ps->capacity){int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->data, sizeof(STDataType) * newcapacity);if (tmp == NULL){perror("realloc fail");exit(-1);}ps->data = tmp;ps->capacity = newcapacity;}ps->data[ps->top] = x;ps->top++;
}
//出栈
void STPop(ST* ps)
{assert(ps);assert(ps->top > 0);ps->top--;
}
//检查是否为空
bool STEmpty(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}
//获取栈的元素个数
int STSize(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}
//获取栈顶元素
STDataType STTop(ST* ps)
{assert(ps);assert(ps->top > 0);return ps->data[ps->top - 1];
}

3.Test.c

#include "Stack.h"
void test()
{ST st;STInit(&st);STPush(&st, 1);STPush(&st, 2);STPush(&st, 3);STPush(&st, 4);STPush(&st, 5);while (!STEmpty(&st)){printf("%d ", STTop(&st));STPop(&st);}STDestroy(&st);
}
int main()
{test();return 0;
}

三、队列

1.队列的概念及结构

（1）队列的概念

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

（2）队列的结构

2.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。

（1）类型和函数的声明

队列除了节点的结构体以外，还要再创建一个结构体，方便找到尾指针。

typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{QDataType data;struct QueueNode* next;
}QNode;
typedef struct Queue
{QNode* head;QNode* tail;int size;
}Que;
//初始化
void QueInit(Que* pq);
//销毁
void QueDestroy(Que* pq);
//入队
void QuePush(Que* pq, QDataType x);
//出队
void QuePop(Que* pq);
//获取头部元素
QDataType QueFront(Que* pq);
//获取队尾元素
QDataType QueBack(Que* pq);
//获取元素个数
int QueSize(Que* pq);
//检查是否为空
bool QueEmpty(Que* pq);

（2）初始化队列

void QueInit(Que* pq)
{assert(pq);pq->head = NULL;pq->tail = NULL;pq->size = 0;
}

（3）销毁

void QueDestroy(Que* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->head;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->head = pq->tail = NULL;pq->size = 0;
}

（4）入队

入队相当于尾插，因为只有一个入口插入节点，所以直接在这个函数创建一个新节点。分两种情况：刚开始没有节点尾插、已有节点再尾插。

void QuePush(Que* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}newnode->data = x;newnode->next = NULL;if (pq->tail == NULL){pq->head = pq->tail = newnode;}else{pq->tail->next = newnode;pq->tail = newnode;}pq->size++;
}

（5）出队

出队相当于头删。如果没有节点，就不能再删了，所以要断言检查是否为空。这里的头删也要分两种情况：只有一个节点、一个以上的节点。

void QuePop(Que* pq)
{assert(pq);assert(!QueEmpty(pq));if (pq->head->next == NULL){free(pq->head);pq->head = pq->tail = NULL;}else{QNode* next = pq->head->next;free(pq->head);pq->head = next;}pq->size--;
}

（6）获取头部元素

QDataType QueFront(Que* pq)
{assert(pq);assert(!QueEmpty(pq));return pq->head->data;
}

（7）获取队尾元素

QDataType QueBack(Que* pq)
{assert(pq);assert(!QueEmpty(pq));return pq->tail->data;
}

（8）获取元素个数

int QueSize(Que* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}

（9）检查是否为空

bool QueEmpty(Que* pq)
{assert(pq);return pq->head == NULL;
}

四、队列的全部代码

1.Queue.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{QDataType data;struct QueueNode* next;
}QNode;
typedef struct Queue
{QNode* head;QNode* tail;int size;
}Que;
//初始化
void QueInit(Que* pq);
//销毁
void QueDestroy(Que* pq);
//入队
void QuePush(Que* pq, QDataType x);
//出队
void QuePop(Que* pq);
//获取头部元素
QDataType QueFront(Que* pq);
//获取队尾元素
QDataType QueBack(Que* pq);
//获取元素个数
int QueSize(Que* pq);
//检查是否为空
bool QueEmpty(Que* pq);

2.Queue.c

#include "Queue.h"
//初始化
void QueInit(Que* pq)
{assert(pq);pq->head = NULL;pq->tail = NULL;pq->size = 0;
}
//销毁
void QueDestroy(Que* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->head;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->head = pq->tail = NULL;pq->size = 0;
}
//入队
void QuePush(Que* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}newnode->data = x;newnode->next = NULL;if (pq->tail == NULL){pq->head = pq->tail = newnode;}else{pq->tail->next = newnode;pq->tail = newnode;}pq->size++;
}
//出队
void QuePop(Que* pq)
{assert(pq);assert(!QueEmpty(pq));if (pq->head->next == NULL){free(pq->head);pq->head = pq->tail = NULL;}else{QNode* next = pq->head->next;free(pq->head);pq->head = next;}pq->size--;
}
//获取头部元素
QDataType QueFront(Que* pq)
{assert(pq);assert(!QueEmpty(pq));return pq->head->data;
}
//获取队尾元素
QDataType QueBack(Que* pq)
{assert(pq);assert(!QueEmpty(pq));return pq->tail->data;
}
//获取元素个数
int QueSize(Que* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}
//检查是否为空
bool QueEmpty(Que* pq)
{assert(pq);return pq->head == NULL;
}

3.Test.c

#include "Queue.h"
void test()
{Que q;QueInit(&q);QuePush(&q, 1);QuePush(&q, 2);QuePush(&q, 3);QuePush(&q, 4);QuePush(&q, 5);while (!QueEmpty(&q)){printf("%d ", QueFront(&q));QuePop(&q);}printf("\n");QueDestroy(&q);
}
int main()
{test();return 0;
}

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