C语言编程数据结构的栈和队列
作者:Booksort
栈
栈是一种以后进先出为顺序对对象进行添加或删除的数据结构
对栈进行形象记忆就像是桌子上的一堆书或一堆盘。对盘子取或者存盘子,都只能对最上面的书或者盘子进行操作。
对于栈而言,只有弹栈才能获取其数据。
当我们用C语言实现栈这个数据结构。
其实有三种方法实现
1,数组
2,单链表
3,双向链表
但是,对于双向链表,实现栈而言过于复杂。
可以选择数组或者单链表。
数组实现
标题全部代码
Stack_array.c
#include "Stack_array.h" void InitStack(STstack* st)//栈的初始化 { st->top = 0; st->arr = (STData*)malloc(CAP*sizeof(STData)); st->capacity = CAP; } void StackPush(STstack* st, STData n)//元素入栈 { if (st->top == st->capacity)//判断是否需要扩容 { StackExpansion(st); } st->arr[st->top++] = n; } STData StackPop(STstack* st)//元素退栈 { assert(st); assert(!StackEmpty(st));//判断是否为空栈 return st->arr[--st->top]; } int StackEmpty(STstack* st)//判断栈是否为空 { if (st->top == 0) return 1; return 0; } void StackDestory(STstack* st)//销毁栈,防止内存泄漏 { free(st->arr); st->arr = NULL; } void StackExpansion(STstack* st)//扩容 { STData* tmp = (STData*)realloc((STData*)st->arr, sizeof(STData) * (st->capacity) * 2); if (tmp == NULL) { printf("Exparsion Error\n"); exit(-1); } st->arr = tmp; st->capacity *= 2; } void StackPrint(STstack* st)//打印栈的元素,但前提是要退栈才能得到元素 { while(st->top) { STData ret = StackPop(st); printf("%d ", ret); } }
Stack_array.h
#pragma once #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <assert.h> #define CAP 4 typedef int STData; typedef struct Stack//结构体用于维护栈 { int top;//栈顶标记 STData* arr;//栈的指针 int capacity;//栈的容量 }STstack; void InitStack(STstack* st);//栈的初始化 void StackPush(STstack* st, STData n);//元素入栈 STData StackPop(STstack* st);//元素退栈 void StackExpansion(STstack* st);//扩容 int StackEmpty(STstack* st);//判断栈是否为空 void StackDestory(STstack* st);//销毁栈,防止内存泄漏 void StackPrint(STstack* st);//打印栈的元素,但前提是要退栈才能得到元素
对于数组实现而言。创建一个结构体用于维护整个栈。而其中有一个用于链接创建的数组。
typedef int STData; typedef struct Stack//结构体用于维护栈 { int top;//栈顶标记 STData* arr;//栈的指针 int capacity;//栈的容量 }STstack;
作为数组栈,需要一个动态的数组。则这就需要一个Capacity作为衡量是否需要扩容的标准。而top需要作为入栈元素的位置。
当top的值等于Capacity时就意味着栈已经满了。因为数组是从0开始的
初始化数组栈
在初始化时,要先动态开辟一个数组空间,且,未压栈压入数据元素,其top要设为0.要保证当需要压栈时有明确指定的空间。同时,top的位置要为最后压入数据的下一个下标。
void InitStack(STstack* st)//栈的初始化 { st->top = 0; st->arr = (STData*)malloc(CAP*sizeof(STData)); st->capacity = CAP; }
满栈后扩容
其Capacity要作为判断是否满栈的标准。且,满栈后要进行扩容(因为是动态数组)。
void StackExpansion(STstack* st)//扩容 { STData* tmp = (STData*)realloc((STData*)st->arr, sizeof(STData) * (st->capacity) * 2); if (tmp == NULL) { printf("Exparsion Error\n"); exit(-1); } st->arr = tmp; st->capacity *= 2; }
同时,还要每次更改栈的容量,为下一次是否满栈作为标准。
是否为空栈
int StackEmpty(STstack* st)//判断栈是否为空 { if (st->top == 0) return 1; return 0; }
其是否为空。也就是top的位置在数组的0下标位。
压栈和退栈
void StackPush(STstack* st, STData n)//元素入栈 { if (st->top == st->capacity)//判断是否需要扩容 { StackExpansion(st); } st->arr[st->top++] = n; } STData StackPop(STstack* st)//元素退栈 { assert(st); assert(!StackEmpty(st));//判断是否为空栈 return st->arr[--st->top]; }
压栈
每次压栈,都需要判断是否满栈,并决定是否扩容。
同时,当在原先top位置的数位置进行赋值。并之后要将top向后移动一个位置。保证下一次压栈。
退栈
退栈返回top的上一个位置的元素。同时top向前移动一个位置,不需要free,下次压栈会自动覆盖。
链表实现
stack_chain.h
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define N 3 typedef struct stackele { int n; int* point; }sta; sta* top; void initstack(sta* a);//初始化栈 void pushstack(sta* a,int num);//入栈 //void printstack(sta* a);//打印栈 //void fullstack(sta* a);//检查是否满栈的情况 void emptystack(sta* a);//检查是否空栈的情况 int popstack(sta*a);//出栈
stack_chain.c
#include "stack_chain.h" void initstack(sta* a)//初始化栈 { top= NULL; } void pushstack(sta* a, int num)//入栈 { sta* p = (sta*)malloc(sizeof(sta)); p->n = num;//新节点赋值 p->point = top; top = p; } int popstack(sta* a)//出栈 { emptystack(a);//检查是否空栈的情况 int date; sta* des = top; top = top->point; date = des->n; free(des); des = NULL; return date; } void emptystack(sta* a)//检查是否空栈的情况 { if (top == NULL) { printf("Stack empty"); exit(0); } }
对于链表实现栈而言,和数组其实差不多。只不够,每次压栈都需要重新动态开辟一个新节点,并且链入栈中。但是,这并不是普通的直接链入。而是需要头插入栈。
这样头插入栈,可以方便退栈的时候,可以找到上一个元素。而压栈是不需要什么顺序。每一个压栈节点就是top节点。
整个压栈流程
void pushstack(sta* a, int num)//入栈 { sta* p = (sta*)malloc(sizeof(sta)); p->n = num;//新节点赋值 p->point = top; top = p; }
整个弹栈流程
int popstack(sta* a)//出栈 { emptystack(a);//检查是否空栈的情况 int date; sta* des = top; top = top->point; date = des->n; free(des); des = NULL; return date; }
出栈情况
尤其要把握一个条件:空栈
由于不是数组,且链式结构的特性,是不需要扩容的。即不需要判断满栈的情况。
只考虑空栈的条件
void emptystack(sta* a)//检查是否空栈的情况 { if (top == NULL) { printf("Stack empty"); exit(0); } }
这里空栈的条件是top指针指向NULL时也就是
为什么呢?
因为每次弹栈的时候,都会free掉top指向的空间然后让top指向下一个节点。就这样不断移动。但是我设计初始化的时候是top= NULL;
而且每次压栈都是p->point = top;
这就会有一个标准来限定空栈的情况。
对于栈而言,其更像是一个递归的具象化。
队列
这种数据结构就像是银行柜台的取号机,
先取号的先去柜台。
始终满足先入先出的概念
队列的实现
queue_chain.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <assert.h> typedef int QUData; typedef struct queue { QUData data; struct queue* next; }queue; typedef struct Queue//结构体用于维护队列 { queue* Dequeue;//队头指针 queue* Enqueue;//队尾指针 }QUqueue; void InitQueue(QUqueue* qu);//栈的初始化 void QueuePush(QUqueue* qu, QUData n);//元素入队 QUData QueuePop(QUqueue* qu);//元素出队 int QueueEmpty(QUqueue* qu);//判断队列是否为空 void QueueDestory(QUqueue* qu);//销毁队,防止内存泄漏 void QueuePrint(QUqueue* qu);//打印队列中的元素,但前提是要出队才能得到元素
queue_chain.c
#include "queue_chain.h" void InitQueue(QUqueue* qu)//队列的初始化 { qu->Dequeue = qu->Enqueue = NULL; } void QueuePush(QUqueue* qu, QUData n)//元素入队 { queue* newcell = (QUData*)malloc(sizeof(QUData)); newcell->data = n; newcell->next = NULL; if (qu->Dequeue == NULL) { qu->Enqueue = qu->Dequeue = newcell; } else { qu->Enqueue->next = newcell; qu->Enqueue = newcell; } } QUData QueuePop(QUqueue* qu)//元素出队 { if (QueueEmpty(qu)) { printf("Queue Is Empty"); exit(-1); } QUData ret = qu->Dequeue->data; qu->Dequeue = qu->Dequeue->next; return ret; } int QueueEmpty(QUqueue* qu)//判断队列是否为空 { if (qu->Dequeue == qu->Enqueue) return 1; return 0; } void QueueDestory(QUqueue* qu)//销毁队,防止内存泄漏 { queue* cur = qu->Dequeue; while (cur) { queue* pnext = cur->next; free(cur); cur = pnext; } qu->Dequeue = qu->Enqueue = NULL; } void QueuePrint(QUqueue* qu)//打印队列中的元素,但前提是要出队才能得到元素 { queue* cur = qu->Dequeue; while (cur) { printf("%d ", cur->data); cur = cur->next; } }
队 毕竟是先入先出的数据结构。
所以要两个指针,
qu->Dequeue
指向队头,
qu->Enqueue
指向队尾,
不然每次都去找队尾是相当浪费时间的。
一个结构体类型用于维护这个队列
typedef int QUData; typedef struct queue//描述每个队的元素 { QUData data; struct queue* next; }queue; typedef struct Queue//结构体用于维护队列 { queue* Dequeue;//队头指针 queue* Enqueue;//队尾指针 }QUqueue;
队头指针负责出队,
队尾指针负责入队。
概念流程图
入队
入队列的实现
void QueuePush(QUqueue* qu, QUData n)//元素入队 { queue* newcell = (QUData*)malloc(sizeof(QUData)); newcell->data = n; newcell->next = NULL; if (qu->Dequeue == NULL) { qu->Enqueue = qu->Dequeue = newcell; } else { qu->Enqueue->next = newcell; qu->Enqueue = newcell; } }
**当然,入队列在刚开始的时候,头尾指针还是一起指向NULL。
当入第一个元素时,那个元素即是第一个元素也是最后一个元素。要独立判断。**这是一个特殊情况。
出队
出队列的实现
QUData QueuePop(QUqueue* qu)//元素出队 { if (QueueEmpty(qu)) { printf("Queue Is Empty"); exit(-1); } QUData ret = qu->Dequeue->data; qu->Dequeue = qu->Dequeue->next; return ret; }
但是每次出队列都需要判断是否为空队。如果是空队还继续出队会相当于NULL->next
,这是直接报错的。
所以还要一个函数判断是否空队。
是否空队
int QueueEmpty(QUqueue* qu)//判断队列是否为空 { if (qu->Dequeue == qu->Enqueue) return 1; return 0; }
空队就是相当于回到了初始化的情形
qu->Dequeue = qu->Enqueue = NULL;
也就是两者都指向同一处,也就是NULL。
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