1. 栈
1.1 栈的概念及结构
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(Last In First Out)(即最后面进的数据会最先出来)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。
1.2 栈的实现
栈的实现一般可以使用数组或者链表实现,相对而言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。
访问效率:数组的随机访问特性意味着可以在常数时间内访问任何位置的元素,这对于栈的操作尤为重要,因为栈的操作总是在栈顶进行。
空间利用:与链表相比,数组不需要额外的空间来存储指针,这意味着数组的空间利用率更高。
缓存局部性:由于数组在内存中是连续的,因此具有更好的缓存局部性。当栈顶元素被访问时,相邻的元素也会被加载到缓存中,这可能会提高随后的栈操作的速度。
实现简单:数组实现栈的逻辑相对简单,不需要维护额外的指针或是节点信息,这使得代码更加简洁,也更容易维护和调试。
性能考量:在大多数情况下,数组实现的栈在性能上优于链表实现的栈,因为数组的入栈和出栈操作只需要修改栈顶指针,而链表则需要动态分配节点并调整指针。
空间分配:数组实现的栈在初始化时可能需要分配较大的空间,这可能会导致一定的空间浪费,尤其是在栈的大小远小于数组容量时。然而,这一点可以通过动态扩容的策略来缓解。
此外,在选择栈的实现方式时,除了考虑性能因素外,还需要考虑实际应用场景中的具体需求。例如,如果栈的大小变化非常频繁,那么链表实现可能更为合适,因为链表在插入和删除节点时不需要进行大量的数据复制。然而,如果栈的操作主要是入栈和出栈,并且对性能有较高的要求,那么数组实现将是更好的选择。
支持动态增长的栈:
typedef char STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* _a;int _top; // 栈顶int _capacity; // 容量
}Stack;
初始化栈
void StackInit(Stack* ps)
{ps->_a = NULL;ps->_capacity = ps->_top = 0;
}
入栈
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{assert(ps);if (ps->_capacity == ps->_top){int newcapacity = ps->_capacity == 0 ? 4 : ps->_capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->_a,sizeof(STDataType) * newcapacity);if (tmp==NULL){perror("realloc");return;}ps->_a = tmp;ps->_capacity = newcapacity;}ps->_a[ps->_top] = data;ps->_top++;
}
出栈
void StackPop(Stack* ps)
{assert(ps);ps->_top--;
}
获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* ps)
{assert(ps);assert(ps->_top > 0);return ps->_a[ps->_top - 1];
}
获取栈中有效元素个数
int StackSize(Stack* ps)
{assert(ps);return ps->_top;
}
判空
检测栈是否为空,如果为空返回非零结果,如果不为空返回0
int StackEmpty(Stack* ps)
{assert(ps);if (ps->_top == 0)return 1;elsereturn 0;
}
销毁栈
void StackDestroy(Stack* ps)
{assert(ps);free(ps->_a);ps->_a == NULL;ps->_capacity = ps->_top = 0;
}
2. 队列
2.1 队列的概念及结构
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) 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。
2.2 队列的实现
队列也可以用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(因为数组头上出数据,需要把头后面的数据全部向前移,而链表只需要改变节点的指向就行了)。
链表结构实现队列:
typedef struct QListNode
{struct QListNode* _next;QDataType _data;
}QNode;// 队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* _front;QNode* _rear;int size;
}Queue;
初始化队列
void QueueInit(Queue* q)
{assert(q);q->_front = NULL;q->_rear = NULL;q->size = 0;
}
队尾入队列
QNode* SLBuyNode(QDataType data)
{QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newNode == NULL){perror("malloc");return;}newNode->_next = NULL;newNode->_data = data;return newNode;
}void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{QNode* newNode = SLBuyNode(data);if (q->_front == NULL){q->_front = q->_rear = newNode;q->size++;}else{q->_rear->_next = newNode;q->_rear = q->_rear->_next;q->size++;}
}
队头出队列
void QueuePop(Queue* q)
{assert(q&&q->_front);QNode* next = q->_front->_next;free(q->_front);if (next == NULL)q->_front = q->_rear = next;elseq->_front = next;q->size--;
}
获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* q)
{assert(q && q->_front);return q->_front->_data;
}
获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* q)
{assert(q && q->_rear);return q->_rear->_data;
}
获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* q)
{QNode* head = q->_front;int count = 0;while (head){head = head->_next;count++;}return count;
}
判空
检测队列是否为空,如果为空返回非零结果,如果非空返回0
int QueueEmpty(Queue* q)
{if (q->_front == NULL)return 1;elsereturn 0;
}
销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q)
{assert(q);while (q->_front){QNode* next = q->_front->_next;free(q->_front);q->_front = next;}q->_rear = NULL;
}
3. 栈和队列的面试题
3.1 队列实现栈
. - 力扣(LeetCode)
解题思路:
队列中的数据遵循先进先出的原则,而栈中的数据遵循后进先出的原则,所以要想队列实现栈,就需要让队列实现数据的后进先出,这时候我们就可以设置两个队列,其中一个队列入数据,当出数据的时候,就把除了最后一个数据的所有数据放到另一个队列中,然后从队列1出数据,这样就实现了后进先出。(如下图)
还有一个问题就是当入数据的时候该往哪个队列入数据呢?
如果是往空队列入数据的话,空队列就变成了非空队列,这样就会导致两个队列都是非空队列,而无法分辨下一次该往哪个队列入数据。而往非空队列入数据则避免了这一情况,当然如果两个队列都为空,那就随便往一个队列入数据就可以了。
typedef int QDataType;
// 链式结构:表示队列
typedef struct QListNode
{struct QListNode* _next;QDataType _data;
}QNode;// 队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* _front;QNode* _rear;int size;
}Queue;// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q)
{assert(q);q->_front = NULL;q->_rear = NULL;q->size = 0;
}QNode* SLBuyNode(QDataType data)
{QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newNode == NULL){perror("malloc");return 0;}newNode->_next = NULL;newNode->_data = data;return newNode;
}
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{QNode* newNode = SLBuyNode(data);if (q->_front == NULL){q->_front = q->_rear = newNode;q->size++;}else{q->_rear->_next = newNode;q->_rear = q->_rear->_next;q->size++;}
}
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* q)
{assert(q&&q->_front);QNode* next = q->_front->_next;free(q->_front);if (next == NULL)q->_front = q->_rear = next;elseq->_front = next;q->size--;
}
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* q)
{assert(q);assert(q->_front);return q->_front->_data;
}
// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* q)
{assert(q);assert(q->_rear);return q->_rear->_data;
}
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* q)
{QNode* head = q->_front;int count = 0;while (head){head = head->_next;count++;}return count;
}
// 检测队列是否为空,如果为空返回非零结果,如果非空返回0
int QueueEmpty(Queue* q)
{if (q->_front == NULL)return 1;elsereturn 0;
}
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q)
{assert(q);while (q->_front){QNode* next = q->_front->_next;free(q->_front);q->_front = next;}q->_rear = NULL;
}typedef struct {Queue q1;Queue q2;
} MyStack;MyStack* myStackCreate() {MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));QueueInit(&pst->q1);QueueInit(&pst->q2);return pst;
}void myStackPush(MyStack* obj, int x) {if(QueueEmpty(&obj->q1)==0){QueuePush(&obj->q1, x);}else{QueuePush(&obj->q2, x);}
}int myStackPop(MyStack* obj) {Queue* Empty = &obj->q1;Queue* nonEmpty = &obj->q2;if(QueueEmpty(&obj->q1)==0){Empty = &obj->q2;nonEmpty = &obj->q1;}while(nonEmpty->size>1){QueuePush(Empty, QueueFront(nonEmpty));QueuePop(nonEmpty);}int top = QueueFront(nonEmpty);QueuePop(nonEmpty);return top;
}int myStackTop(MyStack* obj) {if(QueueEmpty(&obj->q1)==0){return QueueBack(&obj->q1);}elsereturn QueueBack(&obj->q2);
}bool myStackEmpty(MyStack* obj) {return QueueEmpty(&obj->q1)&&QueueEmpty(&obj->q2);
}void myStackFree(MyStack* obj) {QueueDestroy(&obj->q1);QueueDestroy(&obj->q2);free(obj);
}
3.2 用栈实现队列
题目描述:
. - 力扣(LeetCode)
解题思路:
栈中的数据遵循后进先出的原则,而队列中的数据遵循先进先出的原则,所以要想用栈实现栈,就需要让栈实现数据的先进先出,如下图我们可以设置两个栈,一个栈存放数据,另一个栈出数据。具体实现是:往非空的栈插入数据,出数据的时候将栈1的数据导入栈2,然后从栈2出数据,最后将栈的数据导回栈1,因为不导回数据的话根据栈后进先出的原则,会将插入的数据倒过来,如果直接将数据插入栈2,就会导致栈插入的数据顺序被打乱。
typedef int QDataType;
// 链式结构:表示队列
typedef struct QListNode
{struct QListNode* _next;QDataType _data;
}QNode;// 队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* _front;QNode* _rear;int size;
}Queue;// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q)
{assert(q);q->_front = NULL;q->_rear = NULL;q->size = 0;
}QNode* SLBuyNode(QDataType data)
{QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newNode == NULL){perror("malloc");return 0;}newNode->_next = NULL;newNode->_data = data;return newNode;
}
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{QNode* newNode = SLBuyNode(data);if (q->_front == NULL){q->_front = q->_rear = newNode;q->size++;}else{q->_rear->_next = newNode;q->_rear = q->_rear->_next;q->size++;}
}
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* q)
{assert(q&&q->_front);QNode* next = q->_front->_next;free(q->_front);if (next == NULL)q->_front = q->_rear = next;elseq->_front = next;q->size--;
}
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* q)
{assert(q);assert(q->_front);return q->_front->_data;
}
// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* q)
{assert(q);assert(q->_rear);return q->_rear->_data;
}
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* q)
{QNode* head = q->_front;int count = 0;while (head){head = head->_next;count++;}return count;
}
// 检测队列是否为空,如果为空返回非零结果,如果非空返回0
int QueueEmpty(Queue* q)
{if (q->_front == NULL)return 1;elsereturn 0;
}
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q)
{assert(q);while (q->_front){QNode* next = q->_front->_next;free(q->_front);q->_front = next;}q->_rear = NULL;
}typedef struct {Queue q1;Queue q2;
} MyStack;MyStack* myStackCreate() {MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));QueueInit(&pst->q1);QueueInit(&pst->q2);return pst;
}void myStackPush(MyStack* obj, int x) {if(QueueEmpty(&obj->q1)==0){QueuePush(&obj->q1, x);}else{QueuePush(&obj->q2, x);}
}int myStackPop(MyStack* obj) {Queue* Empty = &obj->q1;Queue* nonEmpty = &obj->q2;if(QueueEmpty(&obj->q1)==0){Empty = &obj->q2;nonEmpty = &obj->q1;}while(nonEmpty->size>1){QueuePush(Empty, QueueFront(nonEmpty));QueuePop(nonEmpty);}int top = QueueFront(nonEmpty);QueuePop(nonEmpty);return top;
}int myStackTop(MyStack* obj) {if(QueueEmpty(&obj->q1)==0){return QueueBack(&obj->q1);}elsereturn QueueBack(&obj->q2);
}bool myStackEmpty(MyStack* obj) {return QueueEmpty(&obj->q1)&&QueueEmpty(&obj->q2);
}void myStackFree(MyStack* obj) {QueueDestroy(&obj->q1);QueueDestroy(&obj->q2);free(obj);
}
3.3 设计循环队列
题目描述:
. - 力扣(LeetCode)
解题思路:
typedef struct {int*_a;int head;int tail;int k;
} MyCircularQueue;MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {MyCircularQueue* tmp = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));tmp->_a = (int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));tmp->head=0;tmp->tail=0;tmp->k=k;return tmp;
}bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {if((obj->tail+1)%(obj->k+1)==obj->head)return false;obj->_a[obj->tail] = value;obj->tail = (obj->tail+1)%(obj->k+1);return true;
}bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {if(obj->tail==obj->head){return false;}obj->head = (obj->head+1)%(obj->k+1);return true;
}int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {if(obj->head==obj->tail){return -1;}return obj->_a[obj->head];
}int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {if(obj->head==obj->tail){return -1;}return obj->_a[(obj->tail+obj->k)%(obj->k+1)];
}bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {return obj->head==obj->tail;
}bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {return (obj->tail+1)%(obj->k+1)==obj->head;
}void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {free(obj->_a);free(obj);obj->_a==NULL;
}