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C语言栈与队列面试题详解

2022-04-11 10:17:43 作者：三分苦

栈和队列，严格意义上来说，也属于线性表，因为它们也都用于存储逻辑关系为 "一对一" 的数据，但由于它们比较特殊，因此将其单独作为一章，做重点讲解

1、括号匹配问题

链接直达：

有效的括号

题目：

思路：

做题前，得先明确解题方案是啥，此题用栈的思想去解决是较为方便的，栈明确指出后进先出。我们可以这样设定：

遇到左括号“ ( ”、“ [ ”、“ { ”，入栈。
遇到右括号“ ) ”、“ ] ”、“ } ”，出栈，跟左括号进行匹配，不匹配就报错。

上两句话的意思就是说我去遍历字符串，如果遇到左括号，就入栈；遇到右括号，就出栈顶元素，并判断这个右括号是否与栈顶括号相匹配，若不匹配则返回false，匹配继续遍历字符串，直到遍历完全，遍历后，检查栈是否为空，若为空，则均匹配，返回true，反之false。

代码如下：

//创建栈结构
typedef char STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a; //存储数据
	int top; //栈顶的位置
	int capacity; //容量
}ST;
//初始化栈
void StackInit(ST* ps);
//销毁栈
void StackDestory(ST* ps);
//压栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
//出栈
void StackPop(ST* ps);
//判空
bool StackEmpty(ST* ps);
//访问栈顶数据
STDataType StackTop(ST* ps);
//有效元素个数
int StackSize(ST* ps);
 
//定义：
//初始化栈
void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 0;
}
//销毁栈
void StackDestory(ST* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}
//压栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	//如果栈满了，考虑扩容
	if (ps->top == ps->capacity)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2; //检测容量
		ps->a = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (ps->a == NULL)
		{
			printf("realloc fail\n");
			exit(-1);
		}
		ps->capacity = newcapacity; //更新容量
	}
	ps->a[ps->top] = x;//将数据压进去
	ps->top++;//栈顶上移
}
//出栈
void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	ps->top--;
}
//判空
bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0; //如果top为0，那么就为真，即返回
}
//访问栈顶数据
STDataType StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	return ps->a[ps->top - 1]; //top-1的位置才为栈顶的元素
}
//有效元素个数
int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top;
}
 
//创建好了栈开始实现
bool isValid(char* s) {
    ST st;//先创建一个栈
    StackInit(&st);//初始化栈
    while (*s)
    {
        if (*s == '[' || *s == '(' || *s == '{')
        {
            StackPush(&st, *s); //如果是左括号就入栈
            ++s;
        }
        else
        {
            if (StackEmpty(&st))
            {
                return false; //此处说明前面根本没有左括号，导致栈为空，直接返回false
            }
            char top = StackTop(&st); //获取栈顶元素
            StackPop(&st); //出栈顶元素，接下来进行匹配
            if ((*s == ']' && top != '[')
                || (*s == ')' && top != '(')
                || (*s == '}' && top != '{'))
            {
                StackDestory(&st); //返回前先销毁，防止内存泄漏
                return false; //如果不匹配，直接返回false
            }
            else
            {
                //此时匹配，继续比较，直到遍历结束
                ++s;
            }
        }
    }
    //栈为空，说明所有左括号都匹配
    bool ret = StackEmpty(&st);
    StackDestory(&st); //返回前先销毁，防止内存泄漏
    return ret;
}

2、用队列实现栈

链接直达：

用队列实现栈

题目：

思路：

做题之前，再明确下两个基本知识点

栈：后进先出
队列：先进先出

此题要用先进先出的队列来实现后进先出的栈，并模拟实现队列的基本接口。

假设我们有一串数字，进入队列A顺序为1 2 3 4，此时再有一个队列B，此时我们取队列A的队头数据，并将其导入队列B，当队列A出到只剩最后一个时，把队列A给pop删掉，此时队列B就是1 2 3，间接性是实现了栈的功能，实现了后进先出的功能。当我们需要再入数据时，只需往不为空的队列入即可。再出就像刚刚那样。简而言之两句话：

入栈：push数据到不为空的队列。
出栈：把不为空的队列的数据前N-1导入另一个空队列，最后剩下一个删掉。

本质：保持一个队列存储数据，另外一个队列空着，要出栈时，空队列用来导数据。

代码如下：

//创建队列结构
typedef int QDataType; //方便后续更改存储数据类型，本文以int为例
 //创建队列节点
typedef struct QueueNode
{
	QDataType data; //存储数据
	struct QueueNode* next; //记录下一个节点
}QNode;
//保存队头和队尾
typedef struct Queue
{
	QNode* head; //头指针
	QNode* tail; //尾指针
}Queue;
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);
//销毁队列
void QueueDestory(Queue* pq);
//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//出队列
void QueuePop(Queue* pq);
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//获取有效元素个数
size_t QueueSize(Queue* pq);
//获取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//获取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq);
 
//定义：
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
}
//销毁队列
void QueueDestory(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->head = pq->tail = NULL;
}
//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	//创建一个新节点保存数据
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	//暴力检测newnode，因为malloc的都要检测
	assert(newnode);
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;
	//如果一开始没有数据，为空的情况
	if (pq->tail == NULL)
	{
		assert(pq->head == NULL);
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}
//出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head && pq->tail); //tail和head均不能为空
	//特殊：当删到head=tail的位置时
	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	//一般情况
	else
	{
		//保存head的下一个节点
		QNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
}
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL;
}
//获取有效元素个数
size_t QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	size_t size = 0;
	while (cur)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}
//获取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->head); //头部不能为空
	return pq->head->data;
}
//获取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->tail); //尾部不能为空
	return pq->tail->data;
}
 
/**************创建好队列结构，开始正文模拟实现栈**************/
typedef struct {
	Queue q1; //队列q1
	Queue q2; //队列q2
} MyStack;
 
 
MyStack* myStackCreate() {
	MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack)); //申请一个MyStack类型的栈
	assert(pst);
	QueueInit(&pst->q1);//初始化队列1
	QueueInit(&pst->q2);//初始化队列2
	return pst;
}
 
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
	assert(obj);
	if (!QueueEmpty(&obj->q1))
	{
		QueuePush(&obj->q1, x);//如果q1不为空，就往q1插入数据
	}
	else
	{
		QueuePush(&obj->q2, x);//这儿不需要知道q2是否为空，直接push
	}
}
 
int myStackPop(MyStack* obj) {
	assert(obj);
	Queue* emptyQ = &obj->q1; //默认q1为空
	Queue* nonEmtpyQ = &obj->q2;//默认q2不为空
	if (!QueueEmpty(&obj->q1))
	{
		emptyQ = &obj->q2; //若假设错误，则q2为空
		nonEmtpyQ = &obj->q1;//此时q1就为空
	}
	while (QueueSize(nonEmtpyQ) > 1)
	{
		QueuePush(emptyQ, QueueFront(nonEmtpyQ)); //把非空的队列数据导到空的队列，直到只剩一个
		QueuePop(nonEmtpyQ); //此时把非空的队头数据给删掉，方便后续导入数据
	}
	int top = QueueFront(nonEmtpyQ); //记录此时的栈顶数据
	QueuePop(nonEmtpyQ); //删除栈顶数据，使该队列置空
	return top;
}
 
int myStackTop(MyStack* obj) {
	assert(obj);
	if (!QueueEmpty(&obj->q1))
	{
		return QueueBack(&obj->q1);//如果q1不为空，返回
	}
	else
	{
		return QueueBack(&obj->q2);
	}
}
 
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
	assert(obj);
	//两个队列均为空，则为空
	return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}
 
void myStackFree(MyStack* obj) {
	assert(obj);
	QueueDestory(&obj->q1); //释放q1
	QueueDestory(&obj->q2); //释放q2
	free(obj);
}

3、用栈实现队列

链接直达：

用栈实现队列

题目：

思路：

假设入栈的顺序为1 2 3 4，那么根据题意，想要达到1 2 3 4的出栈顺序以此实现队列。

此题和上一道题正好相反，用栈实现队列，上一道题中，我们需要把数据来回导，从而实现栈的后进先出功能，但是此题就完全不需要来回导了，只需要导一次即可。

假设我们有两个栈，分别命名为pushST和popST。并往栈pushST里头入4个数据1 2 3 4，在出数据时根据栈的性质只能拿到4，此时我们直接把4拿下来并导入栈popST里头，并继续把pushST栈里的数据导下来，直至栈pushST数据为空。此时popST数据即为 4 3 2 1，刚好反过来了。

根据队列的先进先出规则，进1 2 3 4，出必然是1 2 3 4，而上文已经知晓栈popST的数据为4 3 2 1，当删除数据时，会按照1 2 3 4 的顺序逐个删除。恰好利用栈的性质实现了队列的先进先出功能。并只需导一次即可，无需多次。

代码如下：

//创建栈结构
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
    STDataType* a; //存储数据
    int top; //栈顶的位置
    int capacity; //容量
}ST;
//初始化栈
void StackInit(ST* ps);
//销毁栈
void StackDestory(ST* ps);
//压栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
//出栈
void StackPop(ST* ps);
//判空
bool StackEmpty(ST* ps);
//访问栈顶数据
STDataType StackTop(ST* ps);
//有效元素个数
int StackSize(ST* ps);
 
//初始化栈
void StackInit(ST* ps)
{
    assert(ps);
    ps->a = NULL;
    ps->top = 0;
    ps->capacity = 0;
}
//销毁栈
void StackDestory(ST* ps)
{
    assert(ps);
    free(ps->a);
    ps->a = NULL;
    ps->capacity = ps->top = 0;
}
//压栈
void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{
    assert(ps);
    //如果栈满了，考虑扩容
    if (ps->top == ps->capacity)
    {
        int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity; //检测容量
        ps->a = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
        if (ps->a == NULL)
        {
            printf("realloc fail\n");
            exit(-1);
        }
        ps->capacity = newcapacity; //更新容量
    }
    ps->a[ps->top] = x;//将数据压进去
    ps->top++;//栈顶上移
}
//出栈
void StackPop(ST* ps)
{
    assert(ps);
    assert(ps->top > 0);
    ps->top--;
}
//判空
bool StackEmpty(ST* ps)
{
    assert(ps);
    return ps->top == 0; //如果top为0，那么就为真，即返回
}
//访问栈顶数据
STDataType StackTop(ST* ps)
{
    assert(ps);
    assert(ps->top > 0);
    return ps->a[ps->top - 1]; //top-1的位置才为栈顶的元素
}
//有效元素个数
int StackSize(ST* ps)
{
    assert(ps);
    return ps->top;
}
 
/************创建好栈结构，开始正文************/
typedef struct {
    ST pushST; //插入数据的栈
    ST popST; //删除数据的栈
} MyQueue;
 
 
MyQueue* myQueueCreate() {
    MyQueue* obj = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue)); //申请队列类型
    assert(obj);
    StackInit(&obj->pushST);//初始化pushST
    StackInit(&obj->popST);//初始化popST
    return obj;
}
 
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
    assert(obj);
    StackPush(&obj->pushST, x);//不管有没有数据，都插入
}
 
int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    if (StackEmpty(&obj->popST)) //如果popST数据为空，要从pushST里导入数据才能删除
    {
        while (!StackEmpty(&obj->pushST)) //pushST数据不为空，就一直向popST里导入数据
        {
            StackPush(&obj->popST, StackTop(&obj->pushST));//把pushST栈顶数据导到popST里
            StackPop(&obj->pushST);//导完后把pushST栈顶元素删掉，方便后续继续导
        }
    }
    int front = StackTop(&obj->popST); //记录popST栈顶元素
    StackPop(&obj->popST);//删除popST栈顶元素，实现队列先进先出
    return front; //返回栈顶数据
}
 
//取队头数据
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    //如果popST数据为空，要从pushST里导入数据才能取到队头数据
    if (StackEmpty(&obj->popST))
    {
        while (!StackEmpty(&obj->pushST)) //pushST数据不为空，就一直向popST里导入数据
        {
            StackPush(&obj->popST, StackTop(&obj->pushST));//把pushST栈顶数据导到popST里
            StackPop(&obj->pushST);//导完后把pushST栈顶元素删掉，方便后续继续导
        }
    }
    return StackTop(&obj->popST);//直接返回栈顶元素
}
 
bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    return StackEmpty(&obj->pushST) && StackEmpty(&obj->popST);
}
 
void myQueueFree(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    StackDestory(&obj->pushST);
    StackDestory(&obj->popST);
    free(obj);
}

4、设计循环队列

链接直达：

设计循环队列

题目：

思路：

此题可以用数组实现，也可以用链表实现，但其实是用数组更加方便些。

数组：

假设队头front和队尾tail都指向第一个数据，在队尾插入数据，tail随着数据的插入跟着移动，tail始终为最后一个数据的下一个位置。删除数据只需要将队头front往后挪即可，不需要按照之前队列的pop一样删完还挪动数据，因为是循环链表，且数据是可以重复利用的。

这样分析下来再加上画图看似没有什么缺陷，但是存在两个问题？

什么情况下数组为空？
什么情况下数组满了？

问题1：

当tail = front时数组为空，看似没什么问题，但相等又要分两种情况。先画个图：

由上图得知，在情况一下，数组里确实是一个数据也没有，并且tail也是等于front的，满足数组为空的条件，但是在情况二下，数组的数据全满，此时的tail和front同样是相等的，这里数组不为空了，而是全满，由此可见，是存在问题的。

解决方案：

这里我们可以多开一个空间，不存放数据，只是用来分别数组为空或满。原理如下：当数组长度为4时，也就是说实际能存放3个有效数据，另外一个空间用来判断空或满，此时判断空或满的条件如下：

front == tail 时是空
tail 下一个位置是 front 时，就是满

代码如下：

typedef struct {
    int* a; //用数组模拟环形队列
    int front;//队头
    int tail; //队尾
    int k; //表示存的数据长度为k
} MyCircularQueue;
 
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj); //前置声明
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);//前置声明
 
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));//创建环形链表结构
    assert(obj);
    obj->a = (int*)malloc(sizeof(int) * (k + 1));//多开一个空间，便于后续区分空或满
    obj->front = obj->tail = 0;
    obj->k = k; //队列存储有效数据长度为k
    return obj;
}
 
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if (myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false; //队列已满，不能插入数据
    }
    obj->a[obj->tail] = value; //赋值
    if (obj->tail == obj->k)
    {
        obj->tail = 0; //当tail走到尾端
    }
    else
    {
        obj->tail++;
    }
    return true;
}
 
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false; //队列为空，不能删除
    }
    if (obj->front == obj->k)
    {
        obj->front = 0; //当front走到尾端
    }
    else
    {
        obj->front++;
    }
    return true;
}
//取头
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1; //队列为空，取不了
    }
    return obj->a[obj->front]; //返回队头
}
//取尾
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1; //队列为空，取不了
    }
    if (obj->tail == 0)
    {
        return obj->a[obj->k]; //tail为0，队尾在长度的最后一个位置
    }
    else
    {
        return obj->a[obj->tail - 1];
    }
}
 
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front == obj->tail; //front==tail时为空
}
 
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    if (obj->tail == obj->k && obj->front == 0)
    {
        return true; //当tail尾端，front在头端时也是满
    }
    else
    {
        return obj->tail + 1 == obj->front; //一般情况，当tail的下一个位置为front时为满
    }
}
 
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    free(obj->a);
    free(obj);
}

到此这篇关于C语言栈与队列面试题详解的文章就介绍到这了,更多相关C语言栈与队列内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

C语言栈与队列面试题详解

1、括号匹配问题

2、用队列实现栈

3、用栈实现队列

4、设计循环队列

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