C语言实现栈和队列(动态)

目录

一：栈

(1)什么是栈

(2)栈的两种实现方式

(3)栈的一些基本接口实现

【1】栈的结构体和初始化

【2】入栈

【3】销毁

【4】出栈

【5】判断栈是否为空

【6】取顶部数据

【7】取栈中有效数据的个数

【8】栈的全部代码

二：队列

(1)什么是队列

(2)队列的两种实现方式

(3)队列的一些基本接口实现

【1】队列的结构体和初始化

【2】入队列

【3】销毁队列

【4】判断队列是否为空

【5】出队列(删除数据)

【6】查找队列的头尾数据

【7】查找队列的结点个数

【8】队列的全部代码

三：小结

一：栈

(1)什么是栈

【1】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。

【2】压栈：栈的插入操作叫做进栈 / 压栈 / 入栈， 入数据在栈顶 。

【3】出栈：栈的删除操作叫做出栈。 出数据也在栈顶 。

图解：

(2)栈的两种实现方式

链式栈：用链表的结构来实现栈。

顺序栈：用数组的结构来实现栈。

优劣对比：

【1】单向链式结构的出栈入栈(删除插入)效率比较低，因为我们要先找到尾结点再行插入删除，可以通过双向链表或者将单向链表的头结点当作栈顶来处理。

【2】顺序栈只需要记录栈顶位置（同时也是有效元素个数），进行出栈入栈（尾插尾删）十分方便，而且不需要多余的空间存储地址。

综上所述：在栈的实现中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。

(3)栈的一些基本接口实现

【1】栈的结构体和初始化

结构体：

注：改变结构体的变量只需要传入结构体指针。

初始化：

 

【2】入栈

基础思路：

①根据有效数据个数（top）和最大容量来判断是否扩容。

②存储数据。

③有效数据个数和最大容量进行更新。

图解：

代码：

【3】销毁

思路：销毁很简单，因为空间是连续的，注意把栈顶位置(top)和最大容量置0就行。

代码：

【4】出栈

思路：

  ①栈顶其实是我们数组的尾，我们直接将top(有效数据个数)减一就行(数据失联)。

  ②注意如果栈为空就不能在减了，不然会是top=-1,造成越界访问。

代码：

【5】判断栈是否为空

思路：根据top判断，为0就是空栈，返回true，否则返回false。(注意包头文件stdbool.h)

代码：

【6】取顶部数据

思路：

 ①我们现在有有效数据个数，将它减一就得到顶部数据的下标，直接用下标访问，然后返回这个数据就行。

 ②栈为空不能用下标访问，不然会越界。

代码：

【7】取栈中有效数据的个数

思路：很简单，直接返回top就行。

代码：

【8】栈的全部代码

stack.h（头文件）

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

//重定义数据类型，方便更改
typedef int STDataType;

typedef struct stack {
	//存储数据
	STDataType* a;
	//栈顶（位置）
	int top;
	//容量
	int capacity;
}ST;

//初始化
void StackInit(ST* ps);

//销毁
void StackDestroy(ST* ps);

//入栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x);

//出栈（销毁）
void StackPop(ST* ps);

//取栈顶的数据
STDataType StackTop(ST* ps);

//取栈中的有效数据个数
int StackSize(ST* ps);

//判断栈是否为空
bool StackEmpty(ST* ps);

stack.c（接口实现）

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "stack.h"

//初始化
void StackInit(ST* ps)
{
	//断言，不能传空指针进来
	assert(ps );
	//一开始指向NULL
	ps->a = NULL;
	//把栈顶和容量都置为空
	ps->top = ps->capacity = 0;
}

//销毁
void StackDestroy(ST* ps)
{
	//断言，不能传空指针进来
	assert(ps );
	//栈顶和容量置为空
	ps->top = ps->capacity = 0;
	//释放空间
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
}

//入栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	//断言，不能传空指针进来
	assert(ps);
	//先判断是否扩容
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : (ps->capacity) * 2;
		//扩容
		STDataType* tmp = 
		(STDataType*)realloc(ps->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);
		//扩容失败
		if (tmp == NULL)
		{
			printf("realloc error\n");
			exit(-1);
		}
		//更新
		ps->capacity = newcapacity;
		ps->a = tmp;
	}
	//存储数据
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}


//出栈（删除）
void StackPop(ST* ps)
{
	//断言，不能传空指针进来
	assert(ps);
	//如果栈为空，不能出栈
	assert(!StackEmpty(ps));
	ps->top--;
}

//取顶部数据
STDataType StackTop(ST* ps)
{
	//断言，不能传空指针进来
	assert(ps);
	//如果栈为空，不能进行访问
	assert(!StackEmpty(ps));
	//返回栈顶数据
	return ps->a[ps->top-1];
}

//取栈中的有效数据个数
int StackSize(ST* ps)
{
	//断言，不能传空指针进来
	assert(ps);
	//直接返回top
	return ps->top;
}

//判断栈是否为空
bool StackEmpty(ST* ps)
{
	//断言，不能传空指针进来
	assert(ps);
	//依据top来判断
	/*if (ps->top == 0)
		return true;
	return false;*/
	//更简洁的写法,一个判断语句的值要么为true,要么false
	return ps->top == 0;
}

text.c（测试，写接口最好写一测一）

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "stack.h"

void text1()
{
	ST s1;
	StackInit(&s1);
	StackPush(&s1, 89);
	StackPush(&s1, 109);
	while (!StackEmpty(&s1))
	{
		printf("%d ", StackTop(&s1));
		//出栈
		StackPop(&s1);
	}
	//测试结束，及时释放空间
	StackDestroy(&s1);
}

void text2()
{
	ST s;
	StackInit(&s);
	StackPush(&s, 5);
	StackPush(&s, 48);
	StackPush(&s, 88);
	StackPush(&s, 85);
	int a = StackSize(&s);
	printf("%d\n", a);
	StackPop(&s);
	StackPop(&s);
	StackPop(&s);
	StackPop(&s);
	bool t=StackEmpty(&s);
	if (t)
		printf("为空\n");
	else
		printf("不为空\n");
	//测试结束，及时释放空间
	StackDestroy(&s);
}

int main()
{
	//text2();
	text1();
	return 0;
}

二：队列

(1)什么是队列

【1】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)的特性。

【2】入队列：进行插入操作的一端称为队尾。

【3】出队列：进行删除操作的一端称为队头。

图解：

(2)队列的两种实现方式

【1】和栈类似，队列也可以用数组和链表的结构实现。

【2】数组实现的队列每一次入队都要将数据前移一位，而链表实现的队列入队不需要大量的移动数据，效率更高。

(3)队列的一些基本接口实现

【1】队列的结构体和初始化

结构体：与原先我们实现的链表小有不同，我们要取到队列的最后一个结点的数据或者进行入队，都需要得到尾结点的地址，所以我们可以另外声明一个结构体，其中一个变量为我们熟悉的头指针，一个为记录尾结点地址的尾指针。(也可以不声明这个结构体，但要定义两个结构体指针，一个头和一个尾，函数传参要同时传入这两个指针)

图解：

  

初始化：

【2】入队列

思路：

①申请新结点并存储数据(注意新结点指针域指空)。

②扩容加链接加尾结点更新。

③一定要对空队列进行单独处理，不然会对空指针解引用。

代码：

【3】销毁队列

思路：

①和单链表类似，从头结点开始，一个个往后删除。

②注意记录下一个结点位置再释放。

③要把头和尾都进行置空(避免野指针)。

图解:

代码：

【4】判断队列是否为空

思路：根据头指针是否为空来进行判断。

代码：

【5】出队列(删除数据)

思路：

①保存原头结点的下一个结点再释放，然后更新头指针。

②注意队列为空的时候不能进行删除，不然会对空指针解引用。

③有一个比较隐性的bug,那就是进行了多次删除一直到把队列删空，头指针置空了但是尾指针没有置空，存在野指针的问题。

隐性bug图解：

 代码：

【6】查找队列的头尾数据

思路：

①很简单，直接返回头结点和尾结点的数据。

②注意队列为空时不能查找，不然会对空指针解引用。

代码：

【7】查找队列的结点个数

一样有两种实现方法：

①定义一个计数变量并遍历整个链表直至空。

②在队列结构体中多声明一个size变量来记录，初始化为0，每次出入队列都进行更新。

本文采用第一种

代码：

【8】队列的全部代码

Queue.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>
//重定义，方便更改存储类型
typedef int QDataType;
//结点的结构体
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType data;
}QNode;
//队列的结构体（头用来开辟链接，尾用来查找）
typedef struct Queue
{
	//头
	QNode* head;
	//尾
	QNode* tail;
}Queue;


//队列的初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//入队列（队列只能从后入）
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//队列的销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);
//出队列（删除）
void QueuePop(Queue* pq);
//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//查找队列的头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//查找队列的尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq);
//查找队列的结点个数
int QueueSize(Queue* pq);

Queue.c(接口实现)

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
//初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	//断言，不能传空的结构体指针
	assert(pq);
	//初始化，把头和尾都指向空
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

//入队列
void QueuePush(Queue* pq,QDataType x)
{
	//断言，不能传空的结构体指针
	assert(pq);
	//申请新结点
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	//如果队列为空，单独处理
	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		//原尾指向新结点（链接）
		pq->tail->next = newnode;
		//更新尾
		pq->tail = newnode;
	}
}

//队列销毁
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	//断言，不能传空的结构体指针
	assert(pq);
	//先保存下一个，再释放
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		//记录
		QNode* next = cur->next;
		//释放
		free(cur);
		//迭代
		cur = next;
	}
	//头尾都置空
	pq->head = pq->tail = NULL;
}


//出队列（删除）
void QueuePop(Queue* pq)
{
	//断言，不能传空的结构体指针
	assert(pq);
	//断言，队列为空不能删除
	assert(!QueueEmpty(pq));
	//保存原头的下一个结点位置
	QNode* newhead = pq->head->next;
	//释放
	free(pq->head);
	//迭代
	pq->head = newhead;
	//如果删除结束了，要把tail指向空（避免野指针）
	if (pq->head == NULL)
		pq->tail = NULL;
}

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	//断言，不能传空的结构体指针
	assert(pq);
	/*if (pq->head == NULL)
		return true;
	else
		return false;*/
	//依据判断语句的指直接返回
	return pq->head == NULL;
}

//查找队列的头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	//断言，不能传空的结构体指针
	assert(pq);
	//断言，队列为空不能查找
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

//查找队列的尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	//断言，不能传空的结构体指针
	assert(pq);
	//断言，队列为空不能查找
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}


//查找队列的结点个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	//断言，不能传空的结构体指针
	assert(pq);
	//计数
	int size = 0;
	//遍历链表
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

text.c(测试)

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
//测试
void text1()
{
	Queue Q;
	QueueInit(&Q);
	QueuePush(&Q, 80);
	QueuePush(&Q, 60);
	QueuePush(&Q, 40);
	QueuePush(&Q, 70);
	QueuePop(&Q);
	QueuePop(&Q);
	QueuePop(&Q);
	QueuePop(&Q);
	bool a = QueueEmpty(&Q);
	//QueueDestroy(&Q);
}

void text2()
{
	Queue Q2;
	QueueInit(&Q2);
	queuepush(&Q2, 80);
	queuepush(&Q2, 60);
	queuepush(&Q2, 100);
	queuepush(&Q2, 67);
	printf("%d ", queuefront(&Q2));
	printf("%d ", queueback(&Q2));
	int size=QueueSize(&Q2);
}

int main()
{
	//text1();
	text2();
	return 0;
}

三：小结

相较于链表，栈和队列的实现更加简单，但有关栈和队列的面试题还是比较难的，下一次我们就会在这一次的基础上完成一些比较经典的OJ题目。

文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-414125.html

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