C语言数据结构初阶(8)----栈与队列OJ题

· CSDN的uu们，大家好。这里是C语言数据结构的第八讲。
· 目标：前路坎坷，披荆斩棘，扶摇直上。
· 博客主页： @姬如祎
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  1. 栈与队列的知识

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2. 用栈实现队列

原题链接：
剑指 Offer 09. 用两个栈实现队列 - 力扣（LeetCode）
232. 用栈实现队列 - 力扣（Leetcode）
题目描述：
请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作（push 、pop 、peek 、empty ）：
实现 MyQueue 类：
void push(int x) 将元素 x 推到队列的末尾
int pop() 从队列的开头移除并返回元素
int peek() 返回队列开头的元素
boolean empty() 如果队列为空，返回 true ；否则，返回 false
说明：
你 只能 使用标准的栈操作 —— 也就是只有 push to top, peek/pop from top, size, 和 is empty 操作是合法的。
你所使用的语言也许不支持栈。你可以使用 list 或者 deque（双端队列）来模拟一个栈，只要是标准的栈操作即可。

2.1 思路分析

一个队列里面包含了两个栈，stack1和stack2。直讲解有点抽象，我们用一个具体的例子来讲解。

假设我们要向队列中插入，1,2,3三个元素后将它们删除，如何实现呢？

首先，我们插入1这个元素，不妨把他插入到stack1，然后再依次插入，2，3，此时stack1内栈顶元素为3，stack2为空（见下图）。

这时候，我们尝试从队列中删除一个元素。按照队列先入先出的规则，最先入列的1应该是最先出列的，故应该删除1。但是1存储在stack1中并不是在栈顶，于是我们需要借助stack2：如果我们把stack1中的元素依次弹出，并压入到stack2中，则stack2中的元素顺序正好和原来相反。因此经过三次弹出stack1和压入stack2的操作后，stack1为空，stack2中的元素是 3, 2, 1，这时候就可以弹出栈顶的1了。

在删除队头的1后，队列中还剩2和3，我们想要继续删除队头的元素，那么应该删除2，而此时2恰好又在栈顶，因此直接弹出2即可。

通过例子的分析我们就可以总结如下规律：

添加元素的步骤：直接将元素入栈到stack1即可。

删除元素的步骤：当stack2不为空时，在栈顶的元素就是队列中先入列的元素，直接弹出栈顶的元素即可；当stack2为空时，我们就需要将stack1中的元素依次弹出并压入到stack2中，直到stack1为空。如果说stack2为空，去stack1中拿元素时发现stack1也为空，根据题目要求返回-1即可。

销毁队列：销毁两个栈即可。

当然你也可以用数组模拟实现栈，进而用两个栈实现队列。

2.2 代码实现

#define INIT_STACK_SIZE 4
typedef char STDataType;


typedef struct Stack
{
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
} ST;

void StackInit(ST* st)
{
    assert(st);
    st->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * INIT_STACK_SIZE);
    st->capacity = INIT_STACK_SIZE;
    st->top = 0;
}

void StackPush(ST* st, STDataType x)
{
    assert(st);
    if (st->top == st->capacity)
    {
        STDataType* new = (STDataType*)realloc(st->a, sizeof(STDataType) * st->capacity * 2);
        if (!new)
        {
            perror("StackPush::malloc");
            exit(-1);
        }
        else
        {
            st->a = new;
            st->capacity *= 2;
        }
    }
    st->a[st->top] = x;
    st->top++;


}
void StackPop(ST* st)
{
    assert(st);
    assert(st->top);
    st->top--;
}
bool StackEmpty(ST* st)
{
    assert(st);
    return st->top == 0;
}
STDataType StackTop(ST* st)
{
    assert(st);
    assert(st->top);
    return st->a[st->top - 1];
}
int StackSize(ST* st)
{
    assert(st);
    return st->top;
}
void StackDestory(ST* st)
{
    assert(st);
    free(st->a);
    st->a = NULL;
    st->capacity = 0;
    st->top = 0;
}


typedef struct {
    ST pushStack;
    ST popStack;
} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() {
    MyQueue* queue = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    StackInit(&queue->pushStack);
    StackInit(&queue->popStack);
    return queue;
}

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
    StackPush(&obj->pushStack, x);
}

int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    if(StackEmpty(&obj->popStack))
    {
        while(!StackEmpty(&obj->pushStack))
        {
            StackPush(&obj->popStack, StackTop(&obj->pushStack));
            StackPop(&obj->pushStack);
        }
    }
    STDataType top = StackTop(&obj->popStack);
    StackPop(&obj->popStack);
    return top;
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    if(StackEmpty(&obj->popStack))
    {
        while(!StackEmpty(&obj->pushStack))
        {
            StackPush(&obj->popStack, StackTop(&obj->pushStack));
            StackPop(&obj->pushStack);
        }
    }
    return StackTop(&obj->popStack);
}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    return StackEmpty(&obj->popStack) && StackEmpty(&obj->pushStack);
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) {
    StackDestory(&obj->pushStack);
    StackDestory(&obj->popStack);
    free(obj);
}

3. 用队列实现栈

原题链接：
225. 用队列实现栈 - 力扣（Leetcode）
题目描述：
请你仅使用两个队列实现一个后入先出（LIFO）的栈，并支持普通栈的全部四种操作（push 、top 、pop 和 empty ）。
实现 MyStack 类：
void push(int x) 将元素 x 压入栈顶。
int pop() 移除并返回栈顶元素。
int top() 返回栈顶元素。
boolean empty() 如果栈是空的，返回 true ；否则，返回 false 。

注意：
你只能使用队列的基本操作 —— 也就是 push to back、peek/pop from front、size 和 is empty 这些操作。
你所使用的语言也许不支持队列。 你可以使用 list （列表）或者 deque（双端队列）来模拟一个队列 , 只要是标准的队列操作即可。

3.1 思路分析

一个栈里面包含了两个队列，Queue1和Queue2，直接讲解也是有点抽象，我们通过例子来讲解：

假设我们要依次入栈1, 2，3

首先入栈元素1，同样，我们不妨直接把他插入Queue1中，然后再次插入2, 3到Queue1中，此时Queue1中有三个元素1, 2, 3，Queue2为空。

现在，我们尝试从栈中删除一个元素。按照栈后进先出的规则，最后入栈的元素3应该最先出栈。但是元素3并不在Queue1的队头，我们不能直接把他删除。这时候我们就要借助Queue2了：将元素1从Queue1中出列，将它入列到Queue2中；将元素2从Queue1中出列将它入列到Queue2中，此时我们会发现，要出栈的元素3就在Queue1的队头了，直接将其出列即可。

同样地，我们还想删除一个元素，此时2就是栈顶元素，它不在Queue2的队头不能直接删除，同样需要借助另一个队列Queue1，将元素1从Queue2中出列，入列到Queue1中，此时要出栈的元素2，就在Queue2的队头了，直接删除即可。

还想删除栈顶的元素1时，我们发现它就在Queue1的队头直接删除即可。

通过以上分析我们总结出一下规律：

删除元素：将不为空的那个队列数据的N-1（N为不为空的那个队列的元素个数/队列大小）个导入到为空的那个队列，剩下的那个元素即为栈顶元素，删除即可。

添加元素：将元素添加到那个不为空的队列中即可，如果两个都为空，随便添加到哪一个都行。

查看栈顶的元素：根据以上分析：不为空的那个队列队尾的数据就是栈顶的元素，我们直接查看队尾的元素即可。

判断栈是否为空：如果两个队列都为空，则栈为空，否则栈不为空。

销毁栈：销毁两个队列即可。

同样地，你也可以使用两个数组来模拟两个队列，进而模拟实现栈。

3.2 代码实现

typedef int QueueDataType;

typedef struct QueueNode
{
    struct QueueNode* next;
    QueueDataType data;
} QueueNode;

typedef struct Queue
{
    QueueNode* head;
    QueueNode* tail;
    int size;
} Queue;


//队列的初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    pq->head = pq->tail = NULL;
    pq->size = 0;
}

//队列的销毁
void QueueDestory(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    QueueNode* cur = pq->head;
    while (cur)
    {
        QueueNode* next = cur->next;
        free(cur);
        cur = next;
    }
    pq->head = pq->tail = NULL;
    pq->size = 0;
}

//队尾增加元素
void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x)
{
    assert(pq);
    QueueNode* newNode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
    newNode->data = x;
    newNode->next = NULL;

    if (!pq->head)
    {
        pq->head = pq->tail = newNode;
    }
    else
    {
        pq->tail->next = newNode;
        pq->tail = newNode;
    }
    pq->size++;
}

//队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    //one way
    //return pq->size == 0;
    
    //another way
    return pq->head == NULL;
}

//出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    assert(!QueueEmpty(pq));


    //one possibility
    //if (pq->head == pq->tail)
    //{
    //    free(pq->head);
    //    pq->head = pq->tail = NULL;
    //}
    //else
    //{
    //    QueueNode* next = pq->head->next;
    //    free(pq->head);
    //    pq->head = next;
    //}
    //pq->size--;

    //another way
    QueueNode* next = pq->head->next;
    free(pq->head);
    pq->head = next;
    pq->size--;
    if (pq->head == NULL)
        pq->tail = NULL;

}



//队列的元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    return pq->size;
}

//队头元素
QueueDataType QueueFront(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    assert(!QueueEmpty(pq));
    return pq->head->data;
}

//队尾元素
QueueDataType QueueBack(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    assert(!QueueEmpty(pq));
    return pq->tail->data;
}


typedef struct {
    Queue q1;
    Queue q2;
} MyStack;


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

bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
    return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}

void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
    Queue* emptyQueue = &obj->q1, *noneEmptyQueue = &obj->q2;
    if(QueueEmpty(&obj->q2))
    {
        emptyQueue = &obj->q2;
        noneEmptyQueue = &obj->q1;
    }
    QueuePush(noneEmptyQueue, x);
}

int myStackPop(MyStack* obj) {
    Queue* emptyQueue = &obj->q1, *noneEmptyQueue = &obj->q2;
    if(QueueEmpty(&obj->q2))
    {
        emptyQueue = &obj->q2;
        noneEmptyQueue = &obj->q1;
    }
    while(QueueSize(noneEmptyQueue) > 1)
    {
        QueueDataType front = QueueFront(noneEmptyQueue);
        QueuePop(noneEmptyQueue);
        QueuePush(emptyQueue, front);
    }
    QueueDataType front = QueueFront(noneEmptyQueue);
    QueuePop(noneEmptyQueue);
    return front;
}

int myStackTop(MyStack* obj) {
    Queue* emptyQueue = &obj->q1, *noneEmptyQueue = &obj->q2;
    if(QueueEmpty(&obj->q2))
    {
        emptyQueue = &obj->q2;
        noneEmptyQueue = &obj->q1;
    }
    return QueueBack(noneEmptyQueue);
}



void myStackFree(MyStack* obj) {
    QueueDestory(&obj->q1);
    QueueDestory(&obj->q2);
    free(obj);
}

4. 有效的括号

原题链接：
20. 有效的括号 - 力扣（Leetcode）
题目描述：
给定一个只包括 '(' ，')' ，'{' ，'}' ，'[' ，']' 的字符串 s ，判断字符串是否有效。
有效字符串需满足：
左括号必须用相同类型的右括号闭合。
左括号必须以正确的顺序闭合。
每个右括号都有一个对应的相同类型的左括号。

4.1 思路分析

你可能会想到用括号的数量来进行判断，但是因为题目要求每个括号都应该与对应的括号进行匹配，这种思路显然是行不通的。

那我们该怎么做呢？大致思路：我们维护一个栈，然后遍历所有的括号，如果说遇到左括号我们就把它入栈。随后继续遍历，如果遇到右括号，我们就取栈顶元素出来，与遍历到的括号类型进行匹配，如果说与栈顶的括号类型不匹配，就返回flase，如果匹配呢？就继续往下遍历。最后判断一下栈是否为空即可。如果说栈为空，所有的左括号均与右括号进行了匹配，返回true，如果栈不为空，说明左括号数量较多，返回false即可！

这里值得注意的是：如果说字符串的一开始就是右括号的类型，那么栈显然就是空，这种情况就需要我们特殊处理一下。

4.2 代码实现

#define INIT_STACK_SIZE 4
typedef char STDataType;


typedef struct Stack
{
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
} ST;

void StackInit(ST* st)
{
    assert(st);
    st->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * INIT_STACK_SIZE);
    st->capacity = INIT_STACK_SIZE;
    st->top = 0;
}

void StackPush(ST* st, STDataType x)
{
    assert(st);
    if (st->top == st->capacity)
    {
        STDataType* new = (STDataType*)realloc(st->a, sizeof(STDataType) * st->capacity * 2);
        if (!new)
        {
            perror("StackPush::malloc");
            exit(-1);
        }
        else
        {
            st->a = new;
            st->capacity *= 2;
        }
    }
    st->a[st->top] = x;
    st->top++;


}
void StackPop(ST* st)
{
    assert(st);
    assert(st->top);
    st->top--;
}
bool StackEmpty(ST* st)
{
    assert(st);
    return st->top == 0;
}
STDataType StackTop(ST* st)
{
    assert(st);
    assert(st->top);
    return st->a[st->top - 1];
}
int StackSize(ST* st)
{
    assert(st);
    return st->top;
}
void StackDestory(ST* st)
{
    assert(st);
    free(st->a);
    st->a = NULL;
    st->capacity = 0;
    st->top = 0;
}

bool isValid(char * s){
    if(!s)
        return false;
    ST st;
    StackInit(&st);

    int len = strlen(s);

    for(int i = 0; i < len; i++)
    {
        if(s[i] == '(' || s[i] == '[' || s[i] == '{')
            StackPush(&st, s[i]);
        else
        {
            if(StackEmpty(&st))
            {
                StackDestory(&st);
                return false;
            }
            else
            {
                char top = StackTop(&st);
                if(top == '(' && s[i] == ')' || top == '{' && s[i] == '}' || top == '[' && s[i] == ']')
                    StackPop(&st); 
                else
                {
                    StackDestory(&st);
                    return false;
                }
            }
        }
    }
    bool isEmpty = StackEmpty(&st);
    StackDestory(&st);
    return isEmpty;
}

5. 设计循环队列

原题链接：
622. 设计循环队列 - 力扣（Leetcode）
题目描述：
设计你的循环队列实现。 循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。
循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。
你的实现应该支持如下操作：
MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。
Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
isFull(): 检查循环队列是否已满。

5.1 循环队列的基础知识

循环队列的定义：我们把队列头尾相接的顺序存储结构称为循环队列。

循环队列的逻辑结构：

大家可以看到我这里空了一个位置，至于是为什么？有什么作用？我先卖个关子！😊😊

循环队列的缺点：用数组实现的话，队列的容量随着数组定义是就已经确定啦。

循环队列的优点：增加了空间的使用效率。

5.2 数组OR链表

大家一看到循环队列的逻辑结构肯定第一想法就是用链表实现。那么用链表实现行不行呢？当然是没有问题的，但是我们肯定要经过各种比较选择出一种最优秀的方法撒！

无论用什么什么数据结构实现我们都会面临一个问题：怎么判断循环队列是否已经满了嘞？这个点在设计循环队列时是相当重要的。

对于链表也是同样的道理。那么我们该怎么解决这个问题呢？你说，我们可以一开始令rear不同head，这样就可以很好的区分循环队列空和满的状态了，或许你也可能会说：我们可以维护一个变量来记录循环队列的大小，这样也能区分循环队列空与满的状态。不错，你很厉害。

但是呢，这里还有一个方法。不妨我们一起来看看：比如我们要设计的循环队列容量为3，我们的数组就开4个整型的大小。这样做也能很好的区分循环队列空与满的状态哦！

我们看到这样设计的话当rear的下一个位置是head时就是循环队列为满的状态，当head等于rear时就是循环队列为空的时候。链表同理的哈！

那么，到底是哪种方法好呢？仁者见仁智者见智，很多书都是以这种多开一个空间的方式来设计循环队列的，我们这里就是讲解这种啦！

回到我们的正题：是链表还是数组呢？

我们来看看链表：乍一看好像没啥问题，但是注意到看到题目我们是要实现获取队尾元素的这个函数的，单向的循环链表显然找尾是非常麻烦的。你说，我们可以用双向循环链表呀！很好，没有问题。只是这样做的话，是不是有些复杂呢？

我们来看看数组：取队尾元素我们只要访问rear下标减一的位置就行，只是可能存在数组下标越界的问题，很简单我们只需要在rear加一和rear减一的过程中对结果取模就行啦！

综上所述：设计循环队列我们选用一个比循环队列容量大一的数组来实现。

5.3 函数的实现

因为在操作数据时我们要用到循环队列的容量，还要维护head，rear等变量，所以我们将它们全部封装在一个结构体里面，结构如下：

typedef struct {
    int front; //就是上面所有图中的head，表示队头元素
    int rear; //队尾元素
    int size; //循环队列的容量，这个一开始就是确定了的
    int* queue; //设计循环队列的数组
} MyCircularQueue;

MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。

这个函数我们需要把数组开辟出来，大小就是循环队列的长度加一。还需要初始化我们维护的变量。

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* q = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue)); //开辟结构体
    q->front = q->rear = 0; //初始化front和rear
    q->size = k; //初始化循环队列的长度
    q->queue = (int*)malloc(sizeof(int) * (q->size + 1)); //初始化我们的数组
    return q;
}

isEmpty(): 检查循环队列是否为空。

这里我们先实现这个函数，因为下面的函数会用到这个函数。根据上面的知识，我们只需要判断rear是不是等于front就可以判断循环队列是不是为空啦！

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front == obj->rear;
}

enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。

插入元素也比较简单，我们将rear指向的位置进行赋值，然后让rear加一就行啦！只不过需要注意的是rear加一的时候下标可能会越界，这个时候我们就需要对rear加一的值取模。

当然，如果循环队列是满的状态也是不允许插入元素的。

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(((obj->rear + 1) % (obj->size + 1)) == obj->front) //判断循环队列是否为满也需要取模
        return false;
    else
    {
        obj->queue[obj->rear] = value;
        obj->rear = (obj->rear + 1) % (obj->size + 1);
        return true;
    }
}

deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。

删除元素我们只需要让front加一进行逻辑上的删除即可！当然循环队列不为空不允许删除！同时也需要对加一的结果取模！

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return false;
    else
    {
        obj->front = (obj->front + 1) % (obj->size + 1);
        return true;
    }
}

Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。

这个函数我们只需要返回front指向的位置就行。当然前提是循环队列不为空啦！

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->queue[obj->front];
}

Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。

两个注意点：

1：不为空才能获取队尾元素。

2：因为rear-1才是队尾元素，所以注意取模！

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->queue[(obj->rear - 1 + obj->size + 1) % (obj->size + 1)];
}

剩余的函数就不单独写啦！直接放到后面一起的代码实现中啦！

5.4 代码实现

typedef struct {
    int front; //就是上面所有图中的head，表示队头元素
    int rear; //队尾元素
    int size; //循环队列的容量，这个一开始就是确定了的
    int* queue; //设计循环队列的数组
} MyCircularQueue;


MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* q = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    q->front = q->rear = 0;
    q->size = k;
    q->queue = (int*)malloc(sizeof(int) * (q->size + 1));
    return q;
}

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front == obj->rear;
}

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(((obj->rear + 1) % (obj->size + 1)) == obj->front)
        return false;
    else
    {
        obj->queue[obj->rear] = value;
        obj->rear = (obj->rear + 1) % (obj->size + 1);
        return true;
    }
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return false;
    else
    {
        obj->front = (obj->front + 1) % (obj->size + 1);
        return true;
    }
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->queue[obj->front];
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->queue[(obj->rear - 1 + obj->size + 1) % (obj->size + 1)];
}



bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    return ((obj->rear + 1) % (obj->size + 1)) == obj->front;
}

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    free(obj->queue);
    free(obj);
}

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