深入浅出带你玩转栈与队列——【数据结构】

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1.栈

1.1栈的概念及结构

1.2栈的结构特征图 

​编辑 1.3栈的实现

1.3.1栈的初始化

1.3.2进栈

1.3.3出栈

1.3.4销毁内存

1.3.5判断栈是否为空

1.3.5栈底元素的读取

1.3.6栈中大小

1.4栈实现所有接口

2.队列

2.1队列的概念

2.2队列的结构 

 2.3队列的实现

2.3.1队列的接口总览

2.3.2队列的初始化

 2.3.3入队

2.3.4出队

2.3.5获取对头元素

2.3.6获取对尾元素

2.3.7判断是否为空

2.3.8队列销毁

3.拓展内容

 

在前几期的学习中，我们学习了顺序表与链表，今天我们将学习一种新的数据结构——栈与队列。而栈与队列实际上就是链表的一种变形产物，但肯定会有许多结构上的不同。

现在就让我们进入栈和队列，看看它们的特点！！！

1.栈

1.1栈的概念及结构

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。

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。

1.2栈的结构特征图 

文字力量有时太过渺小，我们通过图解更清楚的了解栈的特点。

 1.3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。因为数组在尾上插入数据的代价比较小。

1.3.1栈的初始化

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

这里我们使用数组作为结构，更好的适用于栈的特征。但是这又与顺序表中的不同，顺序表在刚进入就进行了开辟空间，而我们栈的初始化先全部设为0。

1.3.2进栈

在进栈时，我们会遇到栈内存满的情况，所以我们必须进行判断(top 有效内容与 capacity容量是否相等)，如果相等我们就进行realloc进行扩容即可。然后将需要放入栈的内容存入堆区，有效内容top++即可完成。如果内容开始为0，我们使用三元表达式直接扩容为4。

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

注意：malloc与realloc都可以使用，当给予realloc一个指针时，功能完全相同。

1.3.3出栈

出栈非常简单，只需要将top--，不去访问其内容即可。

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

	--ps->top;
}

1.3.4销毁内存

销毁堆上内存也非常简单，只需free掉即可

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

但是我们一定要用assert进行断言，防止传入空指针。

1.3.5判断栈是否为空

栈中是否插入内容，我们可以创建一个函数进行判断一下。返回值为bool类型，我们需要在头文件中加入#include<stdbool.h>才可以使用。

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

1.3.5栈底元素的读取

在读取栈底元素时，我们需要检查传入栈的指针是否正确以及栈中是否为空，两个必须都为真即可进行下面操作。

STDataType STTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);

	return ps->a[ps->top - 1];
}

栈底元素就是top-1的内容，我们直接返回即可。

1.3.6栈中大小

当我们一直添加数据，需要了解栈中有多少个有效数据时，我们却束手无策，所以我们还需要一个能测出栈中大小函数。

int STSize(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top;
}

1.4栈实现所有接口

我们需要了解的所有接口，可以放在头文件中：

// 下面是定长的静态栈的结构，实际中一般不实用，所以我们主要实现下面的支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
#define N 10
typedef struct Stack
{
 STDataType _a[N];
 int _top; // 栈顶
}Stack;
// 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);

2.队列

2.1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

2.2队列的结构 

 2.3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。

2.3.1队列的接口总览

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType data;
}QNode;

typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
	int size;
}Que;

void QueueInit(Que* pq);
void QueueDestroy(Que* pq);
void QueuePush(Que* pq, QDataType x);
void QueuePop(Que* pq);
QDataType QueueFront(Que* pq);
QDataType QueueBack(Que* pq);
bool QueueEmpty(Que* pq);
int QueueSize(Que* pq);

在这里使用单链表，作为队列结构。队列特点就是先进先出，但是单链表比较适合头插头删，并不适合尾删，所以我们创建另一个结构体记录尾结点和头节点，这样也可以避免使用二级指针增加难度。

2.3.2队列的初始化

初始化我们先把所有内容设置成NULL或0即可

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

 2.3.3入队

入队其实就是链表中的尾插！！！

void QueuePush(Que* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc");
		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++;
}

我们一定要记得将记录首尾的结构体进行赋值，分情况进行，不要忘记更新哦！！！

2.3.4出队

出队就是链表中的头删

void QueuePop(Que* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(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--;
}

 我们一定要注意当删到只有一个内容节点时，要处理尾指针指向NULL。

2.3.5获取对头元素

只需要判断队列存指针正确且不为空，直接返回head指向的data即可。 QueueEmpty函数就是判断队列是否为空的函数，在后面有代码展示！！！

QDataType QueueFront(Que* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return ps->head->data;
}

2.3.6获取对尾元素

尾元素获取与首元素基本相同。

QDataType QueueBack(Que* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return ps->tail->data;
}

2.3.7判断是否为空

bool QueueEmpty(Que* pq)
{
	assert(pq);
	return ps->tail == NULL;
}

2.3.8队列销毁

一定不要忘记创建的存放头尾节点的指针结构体，也要将它们置空

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

3.拓展内容

实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型 时可以就会使用循环队列。环形队列可以使用数组实现，也可以使用循环链表实现。 

  

栈、队列、顺序表、链表都是相似但不同的数据结构，我们在学习时一定要了解其中的差异，这样才能在以后更好的应用！！！

以上就是本节全部内容，感谢大家耐心观看，你们的三连支持是博主最大创作动力。

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