《重生之霸道总裁爱上学数据结构的我(三)》之没人比我更懂栈和队列

《重生之霸道总裁爱上学数据结构的我(三)》之没人比我更懂栈和队列

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文章专栏-霸道总裁爱上学数据结构的我

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一、前言

我们在前两篇文章中讲到顺序表和链表其都是线性结构,我们今天讲的栈和队列也是特殊的线性表。顺序表和链表没有所谓的进出限制,但是我们今天要讲的栈就不一样,他有特殊的进栈和出栈顺序,只允许在一端进行插入和删除。也就是说后进先出,先进后出。但是队列呢,只允许从前面插入,后面出。也就是他俩是特殊的线性结构,所以在基本操作上和前文的线性表和链表有一定相似之处。

二、栈

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只允许在一端进行插入和删除操作的线性表

空栈,没有元素。

栈顶允许插入和删除,栈底不允许。

2.1顺序栈

就是用顺序方式存储的栈就是顺序栈。

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顺序栈的定义

这里用top指针来标记栈顶位置,初始化时top = -1,表示栈是空的。就像刚买的空盘子架,还没放任何盘子。

#defineMAXSIZE100//栈的最大容量#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<stdbool.h>typedefstruct{//顺序栈的结构体int data[100];//栈的数组int top;//栈顶指针}SqStack;//顺序栈的类型定义

初始化

//初始化操作voidInitStack(SqStack *S){ S->top =-1;//将栈顶指针设为-1}//判断栈是否为空 bool StackEmpty(SqStack *S){if(S->top ==-1){return true;//栈为空}else{return false;//栈不为空}}

进栈操作

进栈就像往盘子架上放新盘子,只能放在最上面:

//进栈操作 bool Push(SqStack *S,int x){if(S->top == MAXSIZE){return false;//栈满} S->top++;//栈顶指针加1 S->data[S->top]= x;//将x入栈return true;//入栈成功}

先检查栈是不是满了(top等于最大容量),没满的话就把top往上挪一位,再把数据放进去。

出栈操作

出栈则是从最上面拿走一个盘子:

//出栈操作 bool Pop(SqStack *S,int*x){if(S->top ==-1){return false;//栈为空}*x = S->data[S->top];//将栈顶元素出栈 S->top--;//栈顶指针减1return true;//出栈成功}

先检查栈是不是空的,不空的话就把栈顶元素取出来,再把top往下挪一位。

获取栈顶元素

有时候我们只想看看最上面的盘子是啥样,不想拿走它:

//获取栈顶元素 bool GetTop(SqStack *S,int*x){if(S->top ==-1){return false;//栈为空}*x = S->data[S->top];//将栈顶元素赋值给xreturn true;//获取成功}

这个操作和出栈的区别是,top指针不会移动,只是 “偷看” 一眼。

2.2共享栈

共享栈是个节省空间的小能手,它让两个栈共享同一块数组空间,栈底分别在数组的两端,向中间生长。就像两个霸道总裁共用一个衣帽间,一人占一边,谁也不打扰谁。

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建立

//共享栈建立typedefstruct{//共享栈的结构体int data[100];//栈的数组int top;//栈顶指针int top1;//栈底指针}SharedStack;//共享栈的类型定义

初始化

初始化时,第一个栈的top在 - 1,第二个栈的top1在最大容量处:

//初始化voidInitSharedStack(SharedStack *S){ S->top =-1;//将栈顶指针设为-1 S->top1 = MAXSIZE;//将栈顶指针设为最大容量}

这样两个栈就可以向中间扩展,直到top + 1 == top1时,表示栈满。

2.3链栈

链栈就是用链表实现的栈,链表的头结点作为栈顶,这样进栈和出栈操作都能在 O (1) 时间内完成,比顺序栈更灵活(不用提前规定大小)。

建立

//链栈建立typedefstruct{int data[100];int top;//栈顶指针structLinkNode*next;//指向下一个节点的指针}LinkStack;//链栈的类型定义

这里栈顶指针就是链表的头指针,进栈就是在头结点前插入新节点,出栈就是删除头结点。

三、队列

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队列和栈正好相反,它是 “先进先出”(FIFO,First In First Out)的,就像排队买奶茶 —— 先到的人先拿到奶茶。只能在队尾插入(入队),在队头删除(出队)。

顺序队列用数组实现,但有个小问题:如果单纯地让front指向队头,rear指向队尾,随着入队和出队操作,frontrear都会往后移动,可能导致数组前面的空间浪费。

定义

初始化时,frontrear都指向 0:

//队列定义typedefstruct{int data[100];//队列的数组int front;//队头指针int rear;//队尾指针}SqQueue;//链队列的类型定义

初始化队列

//初始化队列 void InitQueue(SqQueue *Q) { Q->front = Q->rear = 0; //将队头指针和队尾指针设为0 } 

判断队列是否为空

//判断队列是否为空 bool QueueEmpty(SqQueue *Q){if(Q->front == Q->rear){return true;//队列为空}else{return false;//队列不为空}}

入队操作

//入队操作 bool EnQueue(SqQueue *Q,int x){if(Q->rear == MAXSIZE){return false;//队列满} Q->data[Q->rear]= x;//将x入队 Q->rear++;//队尾指针加1return true;//入队成功}

把数据放在rear指向的位置,再把rear往后挪一位。

出队操作

//出队操作 bool DeQueue(SqQueue *Q,int*x){if(Q->front == Q->rear){return false;//队列为空}*x = Q->data[Q->front];//将队头元素赋值给x Q->front++;//队头指针加1return true;//出队成功}

取出front指向的元素,再把front往后挪一位。

判断队列的满和空

法一:

上面的方法有个缺陷:rear到达数组末尾时,即使前面有空位,也会被判为队满。解决这个问题有几种方法:

//判断队列是否为空 bool GetHead(SqQueue Q,int*x){if(Q.rear==Q.front)//队列为空return false;*x=Q.data[Q.front];//将队头元素赋值给xreturn true;}

法二:定义长度问题

增加一个size变量记录队列长度,队满条件是size == MaxSize,队空条件是size == 0

#defineMaxSize10typedefstruct{int data[10];int front,rear;int size;//队列当前长度}SqQueue;//插入成功:size++ 删除成功size--//初始化时:rear=front=0,size=0//队满条件:size==MaxSize //队空条件:size==0

法三:

增加一个tag变量,记录最近操作是插入(1)还是删除(0)。队满条件是front == rear && tag == 1,队空条件是front == rear && tag == 0

#defineMaxSize10typedefstruct{int data[10];int front,rear;int tag;//最近进行的是删除/插入 初始化时,rear=front=0;tag=0}SqQueue;

每次删除操作成功时,都令tag=0

每次插入操作成功时,都令tag=1

只有删除操作,才可能导致队空,只有插入操作,才可能导致队满

队满条件:frontrear&&tag1

队空条件:frontrear&&tag0

链式存储实现队列

链式队列用链表实现,队头指针指向头结点,队尾指针指向最后一个节点,这样入队和出队操作都很方便。

定义一个链式队列

//链队列的节点类型定义typedefstructLinkNode{int data;//数据域structLinkNode*next;//指向下一个节点的指针}LinkNode;//链队列的节点类型定义typedefstruct{ LinkNode *front ,*rear;//队头指针和队尾指针}LinkQueue;//链队列的类型定义

初始化(带头结点)

头结点不存数据,只是为了操作方便。

//初始化链队列voidInitoQueue(LinkQueue *Q){//初始时队头指针和队尾指针都指向头结点 Q->front = Q->rear =(LinkNode *)malloc(sizeof(LinkNode)); Q->front->next =NULL;//头结点的next指针设为NULL}//判断队列是否为空 bool QueueoEmpty(LinkQueue *Q){if(Q->front == Q->rear){return true;//队列为空}else{return false;//队列不为空}}

初始化队列不带头结点

//判断队列是否为空 bool QueueoEmpty(LinkQueue *Q) { if (Q->front == Q->rear) { return true; //队列为空 } else { return false; //队列不为空 } } 

入队(带头结点)

入队就是在队尾添加新节点,然后把rear移到新节点。

//入队操作(带头结点) bool EnQueueo(LinkQueue *Q,int x){//创建一个新节点 LinkNode *s =(LinkNode *)malloc(sizeof(LinkNode));if(s ==NULL){return false;//内存分配失败} s->data = x;//将x赋值给新节点的数据域 s->next =NULL;//将新节点的next指针设为NULL Q->rear->next = s;//将原队尾节点的next指针指向新节点 Q->rear = s;//将队尾指针指向新节点return true;//入队成功}

入队(不带头结点)

//入队操作(不带头结点) bool EnQueueo(LinkQueue *Q,int x){//创建一个新节点 LinkNode *s =(LinkNode *)malloc(sizeof(LinkNode));if(s ==NULL){return false;//内存分配失败} s->data = x;//将x赋值给新节点的数据域 s->next =NULL;//将新节点的next指针设为NULL//若队列为空(首次入队),队头和队尾都指向新节点if(QueueoEmpty(Q)){ Q->front = s; Q->rear = s;}else{//队列非空时,队尾节点的next指向新节点,再移动队尾指针 Q->rear->next = s; Q->rear = s;}return true;//入队成功}

不带头结点的链式队列入队操作,核心区别在于需要处理 “首次入队” 的特殊情况:

  • 当队列是空的时候(frontrear都为NULL),新节点既是队头也是队尾,所以frontrear要同时指向这个新节点
  • 非空队列时,操作和带头结点类似:让当前队尾的next指向新节点,再把rear移到新节点上

出队(带头结点)

// 出队操作(带头结点) bool DeQueueo(LinkQueue *Q,int*x){// 队列为空时无法出队if(QueueoEmpty(Q)){return false;} LinkNode *p = Q->front->next;// p指向队头元素节点*x = p->data;// 保存出队元素的值 Q->front->next = p->next;// 头结点跳过队头元素,指向其后继// 若出队的是最后一个元素,队尾指针需指向头结点(保持空队列状态)if(Q->rear == p){ Q->rear = Q->front;}free(p);// 释放出队节点的内存return true;}
  • 队头元素始终是 front->next 指向的节点(头结点不存储数据)
  • 出队时只需修改头结点的 next 指针,最后一个元素出队时需将 rear 重置为头结点

出队(不带头结点)

// 出队操作(不带头结点) bool DeQueueo(LinkQueue *Q,int*x){// 队列为空时无法出队if(QueueoEmpty(Q)){return false;} LinkNode *p = Q->front;// p指向队头元素节点(不带头结点时front直接指向队头)*x = p->data;// 保存出队元素的值// 若队列只有一个元素,出队后队头队尾均置空if(Q->front == Q->rear){ Q->front = Q->rear =NULL;}else{// 队列有多个元素时,队头指针后移 Q->front = Q->front->next;}free(p);// 释放出队节点的内存return true;}
  • 队头指针 front 直接指向队头元素(首个数据节点)
  • 出队时需直接移动 front 指针,最后一个元素出队后需将 frontrear 均置为 NULL

队列满的条件

顺序存储,预分配的空间耗尽时队满

链式存储,一般不会队满,除非内存不足

四、总结:

栈和队列都是特殊的线性表,只是对操作的位置做了限制:

  • 栈:只允许在栈顶操作,后进先出
  • 队列:只允许在队尾入队、队头出队,先进先出

它们的实现可以用数组(顺序存储)或链表(链式存储),各有优缺点:

  • 顺序存储:访问快,但大小固定(或需要扩容)
  • 链式存储:大小灵活,但访问需要遍历指针

就像霸道总裁的两种处事风格:栈是 “后来者居上”,队列是 “按规矩办事”,各有各的适用场景。掌握它们的逻辑和实现,对于理解更复杂的数据结构至关重要。

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