数据结构 05（线性：栈和队列）

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#数据结构 #c语言 #算法

栈

概念与结构

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。

这里使用数组来实现栈，入栈出栈的时间复杂度都是 O(1) 。

栈的结构

栈和顺序表很像，把顺序表的size改为top。

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* arr;
	int top;             //栈顶
	int capacity;
}ST;

初始化与销毁

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

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

入栈

就像顺序表的尾插，入栈也一样

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

出栈

bool StackEmpty(ST* ps)        //返回bool型判断
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

void StackPop(ST* ps)          //出栈
{
	assert(!StackEmpty(ps));
	--ps->top;
}

取栈顶元素

STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->arr[ps->top - 1];   // ps->top - 1
}

取元素个数

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

整体实现

Stack.h

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

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

void STInit(ST* ps);
void STDestroy(ST* ps);
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
void StackPop(ST* ps);
STDataType StackTop(ST* ps);
int STSize(ST* ps);
bool StackEmpty(ST* ps);

Stack.c

#include"Stack.h"

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

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

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

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

void StackPop(ST* ps)
{
	assert(!StackEmpty(ps));
	--ps->top;
}

STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->arr[ps->top - 1];
}

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

队列

概念与结构

概念：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。

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。

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。

队列的结构

为了追求更高的效率，这里创建两个结构体，一个为队列本体，一个为队列的结点。

typedef int QDataType;

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

typedef struct Queue
{
	QueueNode* phead;
	QueueNode* ptail;
	int size;             //在数据多时，为了更好的知道队列内有多少元素，多
}Queue;                   //创建一个size来记录队列内元素的数量。

初始化与销毁

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QueueNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
}

入队

void QueuePush(Queue* pq,QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	if (pq->phead == NULL)
	{
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

出队

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == 0;
}

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	if (pq->phead == pq->ptail)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QueueNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}

取队头和队尾元素

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}

取元素个数

int QueueSize(Queue* pq)
{
	//int size = 0;
	//QueueNode* pcur = pq->phead;
	//while (pcur)
	//{
	//	++size;
	//	pcur = pcur->next;
	//}
	//return size;
	return pq->size;
}

整体实现

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;
}QueueNode;

typedef struct Queue
{
	QueueNode* phead;
	QueueNode* ptail;
	int size;
}Queue;

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

Queue.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include"Queue.h"

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QueueNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
}

void QueuePush(Queue* pq,QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	if (pq->phead == NULL)
	{
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == 0;
}

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	if (pq->phead == pq->ptail)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QueueNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}

int QueueSize(Queue* pq)
{
	//int size = 0;
	//QueueNode* pcur = pq->phead;
	//while (pcur)
	//{
	//	++size;
	//	pcur = pcur->next;
	//}
	//return size;
	return pq->size;
}