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C語言編程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧與隊列的全面講解示例教程

 更新時間:2021年10月22日 11:20:14   作者:高郵吳少  
本文介紹著重介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-棧和隊列的知識,由于本文也設(shè)計多個動態(tài)內(nèi)存開辟函數(shù),小伙伴們在學(xué)習(xí)本文之前,一定一定一定要把動態(tài)內(nèi)存開辟相關(guān)知識掌握牢固,這樣學(xué)習(xí)起本文才能事半功倍

一、棧的表示和實現(xiàn)

1棧的概念和結(jié)構(gòu)

棧:一種特殊的線性表(邏輯上數(shù)據(jù)是連著放的),其只允許在固定的一端進行插入和刪除操作。進行數(shù)據(jù)插入和刪除操作的一端稱為棧頂,另一端稱為棧底。棧中的數(shù)據(jù)元素遵循后進先出的原則。
壓棧:棧的插入操作叫作進棧/壓線/入線,入數(shù)據(jù)在棧頂。
出棧:棧的刪除操作叫做出棧。出數(shù)據(jù)也在棧頂。

在這里插入圖片描述

(圖片來自比特就業(yè)課)

先入后出就類似與你裝手槍彈夾,你先放入的子彈會在彈夾底部,最后放入的子彈是在彈夾頂部,你開手槍是先打出彈夾頂端的子彈。
我們這里先定義一個棧的類型:

typedef int STDataType;//方便將來如果需要其他類型的數(shù)據(jù),可以直接修改int的類型
typedef struct Stack
{
	STDataType*a;//棧底指針
	int top;//棧頂標(biāo)號
	int capacity;//容量
}ST;

本文介紹以順序表(數(shù)組)實現(xiàn)棧,由此,所謂的入棧壓棧也不過是順序表的尾插尾刪,如果讀者想以鏈表實現(xiàn)也是可以的,方法不唯一。

2棧的初始化

關(guān)于棧的初始化:我們這里以容量大小4的棧為例,剛開始因為棧里沒有數(shù)據(jù)我們用top=0標(biāo)記,需要注意的是:傳過來的棧底指針不能為空,開辟空間時萬一沒有開辟成功返回一個空指針也要丟棄。

#include<assert.h>
#include<stdlib.h>//malloc函數(shù)頭文件
void StackInit(ST*ps)//棧初始化
{
	assert(ps);//防止傳過來的指針是空指針
	ps->a = (STDataType)malloc(sizeof(STDataType) * 4);//malloc開辟一塊空間出來,由STDataType類型進行管理
	//malloc,及后文出現(xiàn)的realloc、free函數(shù)詳情見筆者動態(tài)內(nèi)存管理文章
	if (ps->a == NULL)
	{
		printf("realloc fail\n");
		exit(-1);//終止程序
	}
	ps->capacity=4;
	//這里以開辟4個數(shù)據(jù)容量大小的棧為例,你也可以寫其他數(shù)字
	//如果壓棧的時候內(nèi)存不夠,可以在后面提到的壓棧函數(shù)里面進行擴容
	ps->top = 0;//剛開始棧里沒有值時,用top=0標(biāo)記,后續(xù)每放入一個top++
	//關(guān)于top詳細(xì)用法請往下看1.3壓棧部分
}

3壓棧(棧頂插入一個數(shù)據(jù))

在這里插入圖片描述

如上圖,我們現(xiàn)在開辟了一塊空間,a和top都在棧頂,我們往里面入一個數(shù)據(jù)1

在這里插入圖片描述

1進入棧之后,1就是棧頂元素了,那如果我想繼續(xù)入棧,就是要在top的位置放入一個數(shù)據(jù)讓新放入的數(shù)據(jù)成為新的棧頂元素,然后以此類推,每次入一個元素,top++,top不是表示棧頂元素位置,而是棧頂元素下一個位置。

在這里插入圖片描述

#include<assert.h>//assert函數(shù)頭文件
#include<stdlib.h>//realloc函數(shù)頭文件
void StackPush(ST*ps, STDataType x)//棧頂插入數(shù)據(jù)(入棧)
{
	assert(ps);
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		STDataType*tmp = realloc(ps->a, ps->capacity * 2 * sizeof(STDataType));
		//realloc是在原先開辟的空間上繼續(xù)往后開辟一塊空間,詳細(xì)見筆者動態(tài)內(nèi)存文章
		//擴容一般擴2倍
		if (tmp == NULL)//擴容失敗(比如內(nèi)存已經(jīng)不夠你再開辟空間了)會返回空指針
		{
			printf("realloc fail\n");
			exit(-1);//終止程序
		}
		else
		{
			ps->a = tmp;
			ps->capacity *= 2;
		}
	}
	ps->a[ps->top] = x;//a是一個指針,a[x]==*(a+x)
	ps->top++;
}

4出棧(棧頂刪除一個數(shù)據(jù))

出棧非常簡單,我們以下圖為例:

在這里插入圖片描述

圖中我們棧里已經(jīng)存放了4個數(shù)據(jù)1、2、3、4,那我們現(xiàn)在要進行出棧操作,也就是刪除4怎么辦?直接top–即可

在這里插入圖片描述

到這里肯定會有小伙伴有疑問,憑什么你top–一下就是出棧了,你4都沒刪除?。拷忉屓缦拢何覀冊?.3壓棧部分就說過“top不是表示棧頂元素位置,而是棧頂元素下一個位置”,那現(xiàn)在我top在4這里,說明3才是真正的棧頂元素,4已經(jīng)不在棧的管轄范圍內(nèi)了。

void StackPop(ST*ps)//棧頂刪除數(shù)據(jù)(出棧)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);//??樟?,調(diào)用Pop,直接中止程序報錯
	ps->top--;
}

關(guān)于ps->top > 0,是這樣的:假設(shè)你原先棧里沒有有一個元素

在這里插入圖片描述

你top–就是往下訪問未知的領(lǐng)域了,這是非常嚴(yán)重的問題,所以我們這里用assert斷言一下,防止棧里什么元素也沒有讓top標(biāo)記到了未知領(lǐng)域。(再次強調(diào)一下:top不是表示棧頂元素位置,而是棧頂元素下一個位置)

5取棧頂元素

STDataType StackTop(ST*ps)//取棧頂數(shù)據(jù)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);//棧空了,調(diào)StackTop,直接中止程序報錯
	return ps->a[ps->top - 1];//top是棧頂元素下一個位置,top-1是棧頂元素
	//a[m]==*(a+m)
}

這里的思路和1.4幾乎一樣,也要防止棧里什么也沒有的情況,然后正常返回棧頂元素即可,因為top是棧頂元素下一個位置,top-1是棧頂元素,然后你正常寫就行,這里的
a[ps->top - 1]你也可以寫成*(a+(ps->top - 1)),這個寫法讀者可參加筆者以前的指針文章,這里不再贅述。

6取棧頂元素

int StackSize(ST*ps)//棧的數(shù)據(jù)個數(shù)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}

這個就更簡單了,直接返回top的值就可以了,為什么呢,我們看兩張圖即可
圖一:

在這里插入圖片描述

圖二:

在這里插入圖片描述

圖一是壓棧前,沒有一個元素,top=0,圖二是壓棧后,top++,top=1。同樣的以此類推,我們每加入1個元素,top++,每減去一個元素,top–。元素個數(shù)永遠(yuǎn)=top值,所以我們這里的函數(shù)直接返回top值即可。

7判斷棧是否為空

int StackEmpty(ST*ps)//判斷棧是不是空
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

由1.6知,我們的top值是和棧里元素個數(shù)一樣的,所以我們直接return ps->top == 0;即可,如果ps->top == 0這個表達(dá)式成立表達(dá)式值為1,反之為0。

二、隊列的表示和實現(xiàn)

1隊列的概念及結(jié)構(gòu)

隊列:只允許在一端插入數(shù)據(jù)操作,在另一端進行刪除數(shù)據(jù)操作的特殊線性表,隊列具有先進先出的性質(zhì)
入隊列:進行插入操作的一端稱為隊尾
出隊列:進行刪除操作的一端稱為隊頭

在這里插入圖片描述

(圖片來自比特就業(yè)課)

類似你走人工通道那樣,你排在前面的,你先出去

2隊列的實現(xiàn)

由于隊列的隊頭出,隊尾入,非常類似單鏈表的頭刪和尾插,我們這里介紹以單鏈表實現(xiàn)隊列,如下圖,現(xiàn)有3個節(jié)點的單鏈表:

在這里插入圖片描述

比如現(xiàn)在,我要隊頭出一個,也就是把單鏈表節(jié)點第一個節(jié)點刪掉(頭刪)

在這里插入圖片描述

或者隊尾入一個,也就是單鏈表的尾插

在這里插入圖片描述

代碼如下(示例):

typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode*next;
	QDataType data;
}QNode;//這里和單鏈表定義一樣,有需要的可以看一下筆者之前的單鏈表文章
typedef struct Queue//定義一個結(jié)構(gòu)體存儲頭節(jié)點地址和尾節(jié)點地址,方便后面頭刪和尾插
{
	QNode*head;
	QNode*tail;
}Queue;

3隊列初始化

代碼如下(示例):

void QueueInit(Queue*pq)隊列初始化,pq是一個結(jié)構(gòu)體指針
{
	assert(pq);//判斷pq是否是空指針
	pq->head  = NULL;
	pq->tail = NULL;
}

4入隊(隊尾插入一個數(shù)據(jù))

void QueuePush(Queue*pq, QDataType x)//入隊(隊尾入)
{
	assert(pq);
	QNode*newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));//開辟出一塊空間給newnode
	if (newnode == NULL)//有可能剩余內(nèi)存不夠開辟空間,malloc開辟失敗會返回空指針
	{
		printf("開辟空間失敗\n");
		exit(-1);//退出程序
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	if (pq->tail == NULL)//原先隊列里沒有任何數(shù)據(jù),頭和尾指針都指向NULL
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}

關(guān)于下面if這段代碼解釋如下:

    if (pq->tail == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}

原先隊列里沒有任何數(shù)據(jù),頭和尾指針都指向NULL

在這里插入圖片描述

當(dāng)你往隊列里面放了一個數(shù)據(jù),頭和尾指針是指向新的數(shù)據(jù)(頭和尾指針仍指向一個)

在這里插入圖片描述

如果你想再加1個節(jié)點,你首先得把兩節(jié)點連上,也就是pq->tail->next = newnode;(沒接上之前tail還指向第一個節(jié)點),接上之后tail指針指向第二節(jié)點

在這里插入圖片描述

5出隊(隊頭刪除一個數(shù)據(jù))

void QueuePop(Queue*pq)//出隊(隊頭出)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head);//要出隊,隊里也要有數(shù)據(jù)可以出	
	//原隊列只有1個數(shù)據(jù)
	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	//原隊列有多個數(shù)據(jù)
	else
	{
		QNode*next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
}

關(guān)于出隊,這里要分2種情況討論:

1.原隊列只有1個數(shù)據(jù)

在這里插入圖片描述

只有一個數(shù)據(jù)的時候,頭和尾指針都指向1節(jié)點,他們的next是空指針,所以我們以這個條件為判斷。又因為要出隊(隊頭刪除一個數(shù)據(jù)),因為只有一個節(jié)點,也就是把這個節(jié)點給刪掉,我們用free函數(shù)釋放掉head指向的空間。釋放完,那塊空間已經(jīng)還給內(nèi)存了,這時你的頭和尾指針就不能指向那塊空間了,我們用空指針賦值。
2.原隊列有多個數(shù)據(jù)

在這里插入圖片描述

我們現(xiàn)在要出隊(隊頭刪除一個數(shù)據(jù)),也就是把1節(jié)點刪掉,我們先創(chuàng)建一個變量next找到2節(jié)點位置,然后free掉1節(jié)點的空間

在這里插入圖片描述

1節(jié)點空間free掉之后,把next(指向2節(jié)點)賦給head,讓頭指針指向2節(jié)點。

6取隊頭數(shù)據(jù)

QDataType QueueFront(Queue*pq)//取隊頭數(shù)據(jù)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head);
	return pq->head->data;
}

7取隊尾數(shù)據(jù)

QDataType QueueBack(Queue*pq)//取隊尾數(shù)據(jù)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head);
	return pq->tail->data;
}

8計算隊列中數(shù)據(jù)個數(shù)

int QueueSize(Queue*pq)//隊內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)
{
	assert(pq);
	int size = 0;
	QNode*cur = pq->head;
	while (cur)//cur!=NULL進行循環(huán),NULL是遍歷完tail之后出現(xiàn)的
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

9判斷隊列是否為空

bool QueueEmpty(Queue*pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL;
}

這一般是作為一個輔助函數(shù)來使用,bool 就是用來判斷真假的數(shù)據(jù)類型,如果表達(dá)式:pq->head == NULL成立返回true,反之返回false

10銷毀隊列

void QueueDestory(Queue*pq)//隊列銷毀
{
	assert(pq);
	QNode*cur = pq->head;
	while (cur)//cur!=NULL進行循環(huán),NULL是遍歷完tail之后出現(xiàn)的
	{
		QNode*next = cur->next;
		free(cur);//free是釋放指向的空間,指針還是在的
		cur = next;
	}
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

在這里插入圖片描述

如上圖,我們創(chuàng)建一個變量cur并用head指針賦值。然后找到第二個節(jié)點,用cur->next標(biāo)記,標(biāo)記完我們釋放掉cur(釋放的第一個節(jié)點空間,指針還是在的),釋放完,cur開始遍歷第二個節(jié)點,也就是我們先前用next標(biāo)記的空間。。。剩下的以此類推。cur!=NULL進行循環(huán),NULL是遍歷完tail之后出現(xiàn)的,當(dāng)循環(huán)不進行說明已經(jīng)遍歷完了尾指針指向的節(jié)點,頭和尾節(jié)點已經(jīng)不需要了,我們用空指針賦值。

總結(jié)

本文介紹了棧和隊列的相關(guān)原理及各個接口函數(shù),內(nèi)容較多,知識點量大,希望讀者耐心學(xué)習(xí),相信你一定會有所收獲,祝讀者學(xué)習(xí)愉快~更多關(guān)于C語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧與隊列的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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