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📘前言
栈（Stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表，限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。队列（Queue）也是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端（Front）进行删除操作，而在表的后端（Rear）进行插入操作，和栈一样，队列 的部分操作也会受到限制。栈 的特点是 先进后出（FILO），队列 则是 先进先出（FIFO），本文将会通过顺序存储的方式模拟实现 栈，以及链式存储的方式模拟实现 队列，两种数据结构都比较简单，一起来看看吧！
📘正文
📖栈
首先介绍 栈 的实现，栈 非常适合通过 顺序表 来模拟实现，因为 顺序表 尾插、尾删的复杂度是O(1)，并且 栈 的插入、删除都是在 栈顶 完成的，因此我们可以去除 顺序表 的部分功能，这样就可以得到一个 栈
有人将栈形象的比作弹匣，装弹是在入栈，而将子弹射出则是在出栈，显然最先进入弹匣的子弹，将会在最后才被射出，准备的动图发不出来，可以自行百度查看
📃结构
既然可以通过 顺序表 实现 栈 ，那么 栈 的结构自然就和 顺序表 差不多了，都有一个 负责指向存储数据的指针 ，一个 下标(栈顶) 和 容量 ，因为 顺序表要求空间必须是连续的，因此后续需要进行动态内存开辟，而容量是不能少的
typedef int STDataType; //栈的元素类型
typedef struct StackInfo
{
STDataType* data; //数据
int top; //栈顶
int capacity; //容量
}Stack;
📃初始化
初始化需要把 指针 data 置空，栈顶值 top 和 容量值 capacity 归0
- 当然这里的栈顶也可以置为-1，当我们取栈顶元素时，取的就是当前栈顶处的元素
- 如果是归0，那么取的就是栈顶-1处的元素
- 推荐归0，因为在后续操作中比较省事
void StackDestroy(Stack* ps) //栈的销毁
{
assert(ps);
//只有为栈开辟空间了，才能正常销毁
if (ps->data)
{
free(ps->data);
ps->data = NULL;
ps->top = ps->capacity = 0;
}
}
📃销毁
销毁 栈 需要明白一点：是否可以销毁 ，因为可能会出现不插入元素的情况下，结束程序，此时如果继续执行销毁，就会发生空指针的解引用情况
void StackDestroy(Stack* ps) //栈的销毁
{
assert(ps);
//只有为栈开辟空间了，才能正常销毁
if (ps->data)
{
free(ps->data);
ps->data = NULL;
ps->top = ps->capacity = 0;
}
}
📃入栈、出栈
顺序 栈 的 入栈、出栈 很简单，可以放一起介绍
-
入栈
- 确保有空间可以使用，因此需要借助扩容程序段
- 直接将目标值插入到栈顶处
- 最后栈顶+1，此时的栈顶代表着
栈中的有效元素个数
void StackPush(Stack* ps, STDataType x) //入栈
{
assert(ps);
//判断栈是否满
if (ps->top == ps->capacity)
{
int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2; //二倍扩容
STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->data, sizeof(STDataType) * newCapacity);
//如果扩容失败，需要报错并结束程序
if (tmp == NULL)
{
perror("realloc :: fail");
exit(-1);
}
ps->data = tmp;
ps->capacity = newCapacity;
}
//入栈，就是在栈顶处放入元素，然后栈顶+1
ps->data[ps->top] = x;
ps->top++;
}
-
出栈
- 出栈需要确保
栈内有元素可出 - 如果
栈为空，是不能执行出栈的 - 出栈不需要将元素抹掉，直接栈顶-1，无法访问到此元素就行了
- 出栈需要确保
void StackPop(Stack* ps) //出栈
{
assert(ps);
assert(ps->top > 0); //有元素才能出栈
//出栈，直接栈顶-1
ps->top--;
}
📃查看栈顶元素
前面说过，栈顶值 top-1 代表的就是当前栈顶元素，前提是有元素存在，因此这个函数就很简单了，直接先判断 栈 是否为空，如果不为空，返回 栈顶-1 处的元素值就行了
STDataType StackTop(Stack* ps) //查看栈顶元素
{
assert(ps);
assert(ps->top > 0); //有元素才能看
//栈顶元素，在栈顶-1处，因为栈顶是从0开始的
return ps->data[ps->top - 1];
}
📃查看栈内有效元素
所谓栈内有效元素，就是顺序 栈 的长度，也就是 栈顶值 top ，此时就体现出 栈顶值 从0开始的好处了，做什么都很方便，比如这里，直接返回 栈顶值 就行了
int StackSize(Stack* ps) //查看栈的有效元素个数
{
assert(ps);
//栈的大小就是当前栈的有效元素个数
return ps->top;
}
📃判断栈是否为空
判断栈是否为空，太简单了，一行代码解决
- 返回的是布尔值，需要引头文件
stdbool.h -
因为判断式返回值是布尔类型
- 如果栈顶值为0，说明栈空，判断式为真，返回
true - 否则说明栈不空。判断式为假，返回
false
- 如果栈顶值为0，说明栈空，判断式为真，返回
bool StackEmpty(Stack* ps) //判断栈是否为空
{
assert(ps);
//栈顶为0.说明栈空
return ps->top == 0;
}
顺序 栈 也就这点东西，我愿称之为顺序表青春版，所有源码放在gitee上了，可以跳转到源码区传送过去
下面是程序运行图(测试的时候手速太快了，所以有的地方可能看不太清楚)
这是一张动图，时长56秒
📖队列
队列 的特点是先进先出，主要功能是头部删除和尾部插入，因为队列比较特殊，如果采用 顺序表 的形式实现的话，容易出现 假溢出 问题（后续解决 循环队列 问题会用 顺序表 模拟实现），因此我们这里采取 链表 的形式模拟实现 队列
分析得出队列的 需求 如下
- 单链表就足够了，多加一个队尾指针，可以有效避免效率问题
- 哨兵位（可要可不要），因为待会实现时，是结构体嵌套结构体的形式
- 使用非循环的链表，没必要使用双向带头循环链表（小题大做）
结论
- 最简单的单链表就可以实现
-
因为有队头、队尾两个指针，因此需要使用结构体嵌套的方式
📃结构
单链表 最大的缺陷就是不好找尾，为此我们直接通过结构体嵌套定义的方式，定义 队头指针 front 、队尾指针 rear 和 队列长度 size，这样一来，所有涉及队列的操作，都是在以 O(1) 效率执行，灰常高效，就是比较难理解
帮助理解
- 假设队列中的节点是一个个链接的小球
- 存在一个大外壳装着这些小球
- 并且有两个警卫分别守着球头和球尾，还有一个秘书帮忙记录球数
- 当然它们的作用是为了更好的管理小球
- 显然，
front和rear就是两个警卫，而size是秘书
typedef int QListDataType; //队列的数据类型
//这是队列中，单个节点的信息
typedef struct QListNode
{
QListDataType data;
struct QListNode* next;
}QNode;
//这是整个队列的信息，包含了队头和队尾两个指针
typedef struct QueueNode
{
QNode* front; //队头指针
QNode* rear; //队尾指针
size_t size; //队列长度
}Queue;
📃初始化
队列 的初始化很直接，把 队尾、队头指针 置空，长度 置0就行了
void QueueInit(Queue* pq) //队列的初始化
{
assert(pq);
//初始化状态：队头、队尾指针都指向空，队列大小为0
pq->front = pq->rear = NULL;
pq->size = 0;
}
📃销毁
队列 销毁原理，和 单链表 的销毁差不多，需要借助一个 临时指针 cur ，指向当前队头，然后 队头指针 front 移向下一个位置，销毁 临时指针 cur ，如此循环，直到 临时指针 cur 指向 NULL ，此时整个 队列 都会被销毁
队列不需要像栈那样做特殊处理，因为当队空时，cur一开始就为空，循环是进不去的- 当然销毁后，两个指针都要置空，
size也要归零
void QueueDestroy(Queue* pq) //队列的销毁
{
assert(pq);
//销毁思路：利用临时指针进行销毁
QNode* cur = pq->front;
while (cur)
{
QNode* tmp = cur->next;
free(cur);
cur = tmp;
}
pq->front = pq->rear = NULL;
pq->size = 0;
}
📃入队、出队
有了 队头、队尾 两个指针，入队、出队就很简单了，直接易如反掌
入队
- 即单链表的尾插
-
买一个新节点，存放目标值，将
队尾指针与新节点链接起来- 注意：如果是第一次入队，直接赋值，而不是链接
- 更新
队尾指针，队尾指针变成了新节点 - 队列长度 + 1
void QueuePush(Queue* pq, QListDataType x) //入队
{
assert(pq);
//先买一个节点
QNode* newnode = buyNode(x);
//分情况：如果队头为空，说明队空，此时直接将新节点赋值给队头、队尾
if (pq->front == NULL)
{
pq->front = pq->rear = newnode;
pq->size++;
}
else
{
//否则就是将新节点，链接到队尾，然后更新队尾
pq->rear->next = newnode; //链接
pq->rear = newnode; //更新队尾
pq->size++;
}
}
出队
- 即单链表的头删
- 利用临时指针，存储当前
队头指针的信息 - 队头向后移动，即更新
队头指针 - 释放临时指针
- 队列长度 - 1
void QueuePop(Queue* pq) //出队
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq)); //如果队空，是不能出队的
//出队思想：有元素才能出队，更新队头，销毁原队头
QNode* cur = pq->front;
pq->front = pq->front->next; //更新队头指针
free(cur);
cur = NULL;
pq->size--;
}
📃查看队头、队尾元素
这两个都是甜品函数，直接一行代码解决
查看队头
- 判断队列是否为空
- 不为空才能查看，队头元素为
队头指针的指向值
QListDataType QueueFront(Queue* pq) //查看队头元素
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->front->data;
}
查看队尾
- 同样需要判断队列是否为空
- 不为空才能查看，队尾元素为
队尾指针的指向值
QListDataType QueueRear(Queue* pq) //查看队尾元素
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->rear->data;
}
📃查看队内有效元素
队列中的有效元素数，就是之前一直默默工作的 队列长度 size，直接返回它的值就好了，没什么技巧
至于为何不通过遍历的方式确定有效元素数
- 时间成本太高，如果队列中有10w个元素，那么在调用此函数时，
会很浪费时间- 结构设计时
size的加入，能很好的避免这个问题，因为size在改变时，总是伴随着入队或出队，默默记录，效率是很高
int QueueSize(Queue* pq) //当前队列的有效元素数
{
assert(pq);
return pq->size; //直接返回就行了
}
📃判断队是否为空
此时判断队列是否为空，有多种方法
- 通过
size判断，为0，说明队列为空 - 通过
队头指针或队尾指针判断，为空说明队空
这里使用第二种方法，通过 队头指针 进行判断
当然，返回值是 布尔值 ，同样是利用了判断式的返回值
bool QueueEmpty(Queue* pq) //判断当前队空情况
{
assert(pq);
return pq->front == NULL;
}
至此，队列 结束，结构体嵌套 也就是个纸老虎，实际还没有 二级指针 复杂，可以把 链队列 看作 单链表 的青春版
下面是程序运行图，同样是动图，可以耐心看完
📖源码区
注意：为了避免文章过长，现采取 Gitee 仓库分享代码的形式，秉持开源精神，所有代码都可参考!
📃栈
这是属于栈的文件夹
📃队列
这是属于队列的文件夹
📖相关OJ试题推荐
一如既往的OJ试题推荐环节，这次是 栈和队列 专场
- 20.有效的括号
- 225.用队列实现栈
- 232.用栈实现队列
- 622.设计循环队列(中等)
📘总结
栈和队列 是两种比较特殊的数据结构，在实际中往往很少单独去使用，都是用来配合实现其他数据结构，比如 二叉树 的 层序遍历 中会用到 队列 ，很多OJ试题也会爱考这两种数据结构，因此学好它们还是很重要的
如果你觉得本文写的还不错的话，期待留下一个小小的赞👍，你的支持是我分享的最大动力！
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文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-819007.html
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