【数据结构】栈和队列的模拟实现（两个方式实现）

前言

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学习目标：

       这一篇博客将学习栈和队列的相关知识，栈和队列是两种基础的数据结构，在现在一定要打好基础，在之后的学习生涯中，也常常遇见，例如：深度优先搜索（DFS）广度优先搜索（BFS）……今天要学习栈和队列的模拟实现：用数组模拟实现栈，用单链表模拟实现队列，用数组模拟实现队列。

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学习内容：

通过上面的学习目标，我们可以列出要学习的内容：

1. 用数组模拟实现栈
2. 用数组模拟实现队列
3. 用单链表模拟实现队列

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一、栈的相关知识

1.1 栈的概念及结构

下面先来一段大白话，在介绍栈的文章中都会出现的。

       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（类似于尾插尾删）。我们先来介绍两个概念——栈顶与栈底：进行数据插入和删除操作的一端为栈顶，而另一端为栈底。高大上一点的叫法是：栈中的元素遵守后进先出LIFO(Last In First Out)的原则。

下面，我们在来介绍两个操作——圧栈与入栈：

• 压栈：栈的插入操作是进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶；
• 出栈：栈的删除操作是出栈，出数据在栈顶。

1.2 栈的实现

       现在，我们学习了两个数据结构：顺序表与链表，到底用哪个数据结构实现栈比较好呢？在这里我们选用数组来模拟实现栈。

为什么我们要用数组模拟实现栈会更好一些？

       栈的两个操作无疑就是尾插与尾删，这两个操作在数组中都比较容易实现（相对于链表），而且数组存储的数据内容比较集中，CPU高速缓存命中率高，尽可能小地不污染缓存区，所以用数组模拟实现比较好一些。

       在现实生活中，我们一般要实现能够进行动态增长的栈，而不是静态的栈（比较死板，在实际应用中不常见）。虽然，静态的栈在实际生活中不常见，但是在算法题目中还是可以进行使用，而且在算法题中，我们不用考虑内存泄漏问题hh。下面来实现吧！

代码一：实现动态的栈

第一步，我们先来定义要使用的头文件：

#include <stdio.h>  //必须要包含的头文件
#include <assert.h> //要使用assert进行断言，防止出现一下不好的情况发生
#include <stdbool.h> //在C语言中，没有提供bool变量
#include <stdlib.h>  //使用一些申请内存空间的函数

第二步，我们要让主角登场，构造栈的结构体：

typedef int StDatatype; // 为了方便以后更改数组中的数据类型
typedef struct stack {StDatatype* a;  // 一个动态空间int top;   // 表示栈的栈顶int capacity; // 表示栈现在有多少空间
}ST;

第三步，我们要定义一些我们要实现栈功能的一些函数：栈的初始化（定义一个结构，一定要初始化成员变量）、栈的销毁、栈的插入操作、栈的删除操作、查看栈的栈顶元素、查看栈的大小、查看栈是否为空

//栈的初始化
void stackinit(ST* stk);
//栈的插入操作
void stackpush(ST* stk, StDatatype x);
//栈的删除操作
void stackpop(ST* stk);
//返回栈的栈顶元素
StDatatype stacktop(ST* stk);
//判断栈是否为空
bool stackempty(ST* stk);
//返回栈的大小
int stacksize(ST* stk);
//销毁栈
void stackdestroy(ST* stk);

栈的初始化操作：

void stackinit(ST* stk)
{assert(stk); //防止传空指针//有两个方式进行初始化//法1stk->a = NULL;stk->capacity = 0;stk->top = 0; //如果这里指向0，top表示的是栈的大小
}//法2
void stackinit(ST* stk)
{assert(stk);stk->a = NULL;stk->capacity = 0;stk->top = -1; //如果这里指向-1，top表示的是栈顶元素的下标
}

栈的销毁操作：

void stackdestroy(ST* stk)
{assert(stk);free(stk->a);stk->a = NULL; // 别忘记置空，防止野指针出现free(stk);stk = NULL;
}
// 因为栈所使用的是数组，所以直接销毁即可

栈的插入操作：

void stackpush(ST* stk, StDatatype x)
{assert(stk);//因为我们在这里的栈的空间是没有创建的if (stk->capacity == stk->top) {int newcapacity = stk->capacity == 0 ? 4 : stk->capacity * 2;StDatatype* tmp = (StDatatype*)realloc(stk->a, newcapacity * sizeof(StDatatype));if (tmp == NULL) {perror(tmp);return;}stk->a = tmp;stk->capacity = newcapacity;}
//插入操作相当于尾插stk->a[stk->top] = x;stk->top++;  // 别忘了栈顶要加1
}

栈的删除操作：

void stackpop(ST* stk)
{assert(stk);assert(stk->top > 0);stk->top--;
}

返回栈的栈顶元素：

StDatatype stacktop(ST* stk)
{assert(stk);assert(stk->top > 0);return stk->a[stk->top - 1]; // top == 0//return stk->a[stk->top];  // top == -1
}

 判断栈是否为空：

bool stackempty(ST* stk)
{
// 第一种写法：assert(stk);if (stk->top == 0){return true;}return false;
// 第二种写法：//return stk->top == 0;
}

返回栈的大小：

int stacksize(ST* stk)
{assert(stk);return stk->top;  // top == 0//return stk->top + 1; // top == -1
}

代码二：实现静态的栈

struct my_stack
{int a[10];int size;int capacity;
}

二、队列的相关知识

2.1 队列的概念及结构

       队列在日常生活中无处不在，排队就是一种典型的队列。对此，我们大致可以得知：队列是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，队列具有先进先出的性质。和栈一样，队列具有两个基本操作——入队和出队：

入队：进行插入操作的一端称为队尾；

出队：进行删除操作的一端称为队头。

2.2 队列的实现

       与实现栈类似，我们先来讨论一下使用哪种数据结构方便一些？是使用顺序表呢，还是使用链表呢？是使用单链表呢还是使用双向链表？

       分析一下队列的插入和删除操作，发现插入操作是尾插，而删除操作是头删。在实现顺序表和链表时，对于头删操作来说，链表更为简单，而顺序表需要进行移动数据，效率较低。因此，我们使用链表来实现操作。

代码一：链表实现队列

第一步，我们还是先将头文件加上：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>

第二步，我们来建立一下队列的数据结构：

typedef int QueDatatype;typedef struct queue {QueDatatype x;struct queue* next;
}Queue;//由于要用二级指针，并且我们还有多个成员，
//然后就用结构体typedef struct Qnode {Queue* phead;Queue* ptail;  // 存储链表的尾结点，方便于尾插int size;
}Qnode;

 第三步，我们来定义一下队列的功能：队列的初始化，队列的销毁，队列的插入操作，队列的删除操作，返回队列的队头元素，返回队列的大小，检查队列是否为空。

//队列初始化
void queueinit(Qnode* qnd);
//队列销毁
void queuedestroy(Qnode* qnd);
//队列的插入操作
void queuepush(Qnode* qnd, QueDatatype x);
//队列的删除操作
void queuepop(Qnode* qnd);
//队列的对头元素
QueDatatype queuefront(Qnode* qnd);
//队列的大小
int queuesize(Qnode* qnd);
//检查队列是否为空
bool quueueempty(Qnode* qnd);

队列的初始化操作：

void queueinit(Qnode* qnd)
{assert(qnd);qnd->phead = qnd->ptail = NULL;qnd->size = 0;
}

队列的销毁操作：

void queuedestroy(Qnode* qnd)
{assert(qnd);//销毁是要从头到尾进行销毁的Queue* cur = qnd->phead;while (cur){Queue* del = cur->next;free(cur);cur = del;}
// 只有一个结点的情况，会出现一个野指针qnd->phead = qnd->ptail = NULL;qnd->size = 0;
}

队列的插入操作：

void queuepush(Qnode* qnd, QueDatatype x)
{assert(qnd);//创建好了结构体，然后进行操作Queue* tmp = (Queue*)malloc(sizeof(Queue));//防止创建失败if (tmp == NULL){perror(tmp);return;}tmp->x = x;tmp->next = NULL;//将这个新结点链接到链表中if (qnd->phead == NULL){qnd->phead = qnd->ptail = tmp;}else {qnd->ptail->next = tmp;qnd->ptail = tmp;}qnd->size++;
}

队列的删除操作：

void queuepop(Qnode* qnd)
{assert(qnd);//头结点不能为空assert(qnd->phead);//其次，在只有一个结点的过程中，会出现野指针Queue* del = qnd->phead;qnd->phead = del->next;free(del);del = NULL;if (qnd->phead == NULL){qnd->ptail = NULL;}qnd->size--;
}

返回队列的队头元素：

QueDatatype queuefront(Qnode* qnd)
{assert(qnd);//不能队列为空assert(qnd->phead);return qnd->phead->x;
}

返回队列的大小：

int queuesize(Qnode* qnd)
{assert(qnd);return qnd->size;
}

检查队列是否为空：

bool quueueempty(Qnode* qnd)
{assert(qnd);//if (qnd->phead ==NULL)//{//	return true;//}//return false;return qnd->phead == NULL;
}

代码二：数组实现队列

int q[N], hh, tt = -1;

学习产出：

1. 用数组模拟实现栈
2. 用数组模拟实现队列
3. 用单链表模拟实现队列