C语言实现栈和队列及经典题目(附详细源码)-创新互联

文章目录

[数据结构] C语言实现栈和队列及经典题目(附详细源码)
- 1. 栈
- - 1.1 栈的概念及结构
  - 1.2 栈的实现
  - 1.3 经典题目
  - - 1.3.1 有效的括号(括号匹配)
    - 1.3.2 用栈实现队列
- 2. 队列
- - 2.1 队列的概念及结构
  - 2.2 队列的实现
  - 2.3 经典题目
  - - 2.3.1 用队列实现栈
    - 2.3.2 设计循环队列

成都创新互联公司于2013年成立，先为拜泉等服务建站，拜泉等地企业，进行企业商务咨询服务。为拜泉企业网站制作PC+手机+微官网三网同步一站式服务解决您的所有建站问题。[数据结构] C语言实现栈和队列及经典题目(附详细源码) 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(后进先出是一个相对概念指的是同时在栈中的数据后进先出)LIFO（Last In First Out）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

栈的存储是线性结构，因此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。如果要用链表实现头插效率的更高更适合。

代码实现：

#include#include#include#include 

typedef int STDataType;

typedef struct Stack//数据结构类型定义
{STDataType* a;
	int capacity;
	int top;
}ST;

void StackInit(ST* ps)//初始化
{assert(ps);

	ps->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * 4);
	if (ps->a == NULL)
	{perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

	ps->top = 0;
	ps->capacity = 4;
}

void StackDestroy(ST* ps)//销毁
{assert(ps);

	ps->a = NULL;
	ps->top = ps->capacity = 0;
}

void StackPush(ST* ps,STDataType x)//入栈
{assert(ps);

	if (ps->top == ps->capacity)
	{STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, sizeof(STDataType) * ps->capacity * 2);
		if (tmp == NULL)
		{	perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}

		ps->a = tmp;
		ps->capacity *= 2;  
	}

	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

void StackPop(ST* ps)//出栈
{assert(ps);
	//assert(ps->top >0);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->top--;
}

STDataType StackTop(ST* ps)//获取栈顶元素
{assert(ps);
	//assert(ps->top >0);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->a[ps->top - 1];
}

bool StackEmpty(ST* ps)//检测栈是否为空
{assert(ps);

	return ps->top == 0;
}

int StackSize(ST* ps)// 获取栈中有效元素个数
{assert(ps);

	return ps->top;
}

1.3 经典题目 1.3.1 有效的括号(括号匹配)

**题目链接：**https://leetcode-cn.com/problems/valid-parentheses/

题目描述：

题目分析：

遇到左括号入栈，遇到右括号拿出栈顶数据去进行匹配，十分符合栈后进先出的特性。

代码实现：

// 下面是定长的静态栈的结构，实际中一般不实用，所以我们主要实现下面的支持动态增长的栈
typedef char STDataType;

typedef struct Stack
{STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
}ST;

void StackInit(ST* ps)//初始化
{assert(ps);

    ps->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType)*4);

    if (ps->a == NULL)
    {perror("malloc fail\n");
        exit(-1);
    }

    ps->top = 0;
    ps->capacity = 4;
}

void StackDestroy(ST* ps)//销毁
{assert(ps);

    free(ps->a);
    ps->a = NULL;
    ps->top = ps->capacity = 0;
}

void StackPush(ST* ps, STDataType x)//入栈
{assert(ps);

    if (ps->top == ps->capacity)//栈满
    {STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, sizeof(STDataType)*ps->capacity*2);
        if (tmp == NULL)
        {perror("realloc fail");
            exit(-1);
        }
        ps->a = tmp;
        ps->capacity *= 2;
    }

    ps->a[ps->top] = x;
    ps->top++;
}

bool StackEmpty(ST* ps)//检测栈是否为空
{assert(ps);

    return ps->top == 0;
}

void StackPop(ST* ps)//出栈
{assert(ps);
    assert(!StackEmpty(ps));

    ps->top--;
}

char StackTop(ST*ps)//获取栈顶元素
{assert(ps);
    assert(!StackEmpty(ps));

    return ps->a[ps->top - 1];
}


bool isValid(char * s){ST st;
    StackInit(&st);
    while(*s)
    {if ((*s == '(') || (*s == '[') || (*s == '{'))//左括号入栈
        {StackPush(&st, *s);
            s++;
        }
        else//右括号进行匹配
        {if (StackEmpty(&st))//有右括号没有左括号
            {StackDestroy(&st);
                return false;
            }
            STDataType tmp = StackTop(&st);

            if ((tmp == '(' && *s != ')')
            ||(tmp == '[' && *s != ']')
            ||(tmp == '{' && *s != '}'))//匹配失败
            {StackDestroy(&st);
                return false;
            }
            else
            {StackPop(&st);
                s++;
            }
        }
    }

    if (!StackEmpty(&st))//剩余左括号未匹配
      return false;
    
    StackDestroy(&st);
    return true;
}

1.3.2 用栈实现队列

**题目链接：**https://leetcode-cn.com/problems/implement-queue-using-stacks/

题目描述：

题目分析：

栈的特性是后进先出，队列的特性是先进先出，用两个栈实现先进先出，需要指定一个栈用来入数据，另一个栈用来出数据，只在入数据的栈入数据，只在出数据的栈出数据，实现出队时如果出数据的栈有数据先将出数据的栈的数据出栈，如果实现出队时，出数据的栈为空，需要先将入数据的栈的数据挪动到出数据的栈的数据，再进行出队列，如果在实现出队时出数据的栈有数据，将入数据的栈的数据挪到出数据的栈会造成数据顺序的错误。

代码实现：

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
}ST;

void StackInit(ST* ps)//栈的初始化
{assert(ps);

    ps->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType)*4);
    ps->top = 0;
    ps->capacity = 4;
}

void StackDestroy(ST* ps)//销毁栈
{assert(ps);

    free(ps->a);
    ps->a = NULL;
    ps->top = 0;
    ps->capacity = 0;
}

void StackPush(ST* ps, STDataType x)//入栈
{assert(ps);

    if (ps->top == ps->capacity)
    {ps->a = (STDataType*)realloc(ps->a, sizeof(STDataType)*ps->capacity*2);
        ps->capacity *= 2;
    }
    ps->a[ps->top] = x;
    ps->top++;
}

bool StackEmpty(ST* ps)//检查栈是否为空
{assert(ps);

    return ps->top == 0;
}

void StackPop(ST* ps)//出栈
{assert(ps);
    assert(!StackEmpty(ps));

    ps->top--;
}

STDataType StackTop(ST* ps)//取栈顶元素
{assert(ps);
    assert(!StackEmpty(ps));

    return ps->a[ps->top - 1];
}

typedef struct {ST popst;
    ST pushst;
} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() {MyQueue* obj = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    StackInit(&obj->popst);
    StackInit(&obj->pushst);

    return obj;
}

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {StackPush(&obj->pushst, x);
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj);//函数声明便于复用

int myQueuePop(MyQueue* obj) {int ret = myQueuePeek(obj);
   StackPop(&obj->popst);

   return ret;
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj) {if (StackEmpty(&obj->popst))
    {while(!StackEmpty(&obj->pushst))
        {StackPush(&obj->popst,StackTop(&obj->pushst));
            StackPop(&obj->pushst);
        }
    }
    
    return StackTop(&obj->popst);
}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {return StackEmpty(&obj->popst) && StackEmpty(&obj->pushst);
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) {StackDestroy(&obj->pushst);//注意申请空间的释放
    StackDestroy(&obj->popst);
    free(obj);
}

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。

#include#include#include 
#include#includetypedef int QDataType;

typedef struct QueueNode//结点类型定义
{QDataType data;
	struct QueueNode* next;
}QNode;

typedef struct Queue//队列结构定义
{QNode* head;
	QNode* tail;
}Queue;

void QueueInit(Queue* pq)//初始化
{assert(pq);

	pq->head = pq->tail = NULL;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)//销毁队列
{assert(pq);

	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->head = pq->tail = NULL;
}

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)//入队
{assert(pq);

	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}

	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

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

void QueuePop(Queue* pq)//出队
{assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	if (pq->head->next == NULL)
	{free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{QNode* del = pq->head;
		pq->head = pq->head->next;
		free(del);
	}
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)//获取队头元素
{assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->head->data;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)//获取队尾元素
{assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->tail->data;
}

bool QueueEmpty(Queue* pq)//查看队列是否为空
{assert(pq);

	return pq->head == NULL
		&& pq->tail == NULL;
}

int QueueSize(Queue* pq)//获取队列数据个数
{assert(pq);

	int size = 0;
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

另外扩展了解一下，实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型时可以就会使用循环队列。环形队列可以使用数组实现，也可以使用循环链表实现。

2.3 经典题目 2.3.1 用队列实现栈

**题目链接：**https://leetcode-cn.com/problems/implement-stack-using-queues/

题目描述：

题目分析：

用队列实现栈，首先要了解栈和队列的特性，栈是后进先出，队列是先进后出，因此我们需要用两个队列来实现一个栈的功能，为了实现后进先出的功能，在出数据时，我们需要把有数据的队列的除了最后一个数据全部挪到空队列里，剩下的那一个数据就成为了队头，可以出队，由此后进先出的功能就能实现
实现入栈和出栈及取栈顶元素：无论是实现入栈或出栈或取栈顶元素，都要保证操作完成后一个队列有数据，一个队列为空，永远保持有一个空队列用于数据的挪动，如果是实现入栈，把数据入队至有数据的队列，如果是实现出栈，把有数据的队列的数据挪到空队列直到剩下一个数据时，将剩下的数据出队实现出栈，如果是实现获取栈顶元素，把有数据的队列的数据挪到空队列直到剩下一个数据时，将剩下的数据记录，然后将其在挪动到另一个队列。

代码实现：

typedef int QDataType;//队列存储的数据类型的定义

typedef struct QNode//队列结点结构定义
{QDataType data;
    struct QNode* next;
}QNode;

typedef struct Queue//队列定义
{QNode* head;//指向队头
    QNode* tail;//指向队尾
    int size;//记录队列存储数据个数
}Queue;

void QueueInit(Queue* pq)//队列初始化
{assert(pq);

    pq->head = pq->tail = NULL;
    pq->size = 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)//销毁队列
{assert(pq);

    QNode* del = pq->head;
    while(del)
    {QNode* next = del->next;
        free(del);
        del = next;
    }
    pq->head = pq->tail = NULL;
    pq->size = 0;
}

bool QueueEmpty(Queue* pq)//判断队列是否为空
{assert(pq);

    return pq->size == 0;
}

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)//入队
{assert(pq);

    QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
    newnode->data = x;
    newnode->next = NULL;

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

void QueuePop(Queue* pq)//出队
{assert(pq);
    assert(!QueueEmpty(pq));

    if (pq->head->next != NULL)
    {QNode* del = pq->head;
        pq->head = pq->head->next;
        free(del);
    }
    else
    {free(pq->head);
        pq->head = pq->tail = NULL;
    }
    pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)//获取队头数据
{assert(pq);
    assert(!QueueEmpty(pq));

    return pq->head->data;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)//获取队尾数据
{assert(pq);
    assert(!QueueEmpty(pq));

    return pq->tail->data;
}

int QueueSize(Queue* pq)//获取队列数据个数
{assert(pq);

    return pq->size;
}

typedef struct {//用两个队列定义的栈
    Queue q1;
    Queue q2;
} MyStack;


MyStack* myStackCreate() {MyStack* obj = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(&obj->q1);
    QueueInit(&obj->q2);

    return obj;
}

void myStackPush(MyStack* obj, int x) {Queue* empty = &obj->q1;//假设一个为空另一个为非空
    Queue* nonempty = &obj->q2;

    if (QueueEmpty(&obj->q2))//若假设错误，修改假设
    {empty = &obj->q2;
        nonempty = &obj->q1;
    }

    QueuePush(nonempty, x);
}

int myStackPop(MyStack* obj) {Queue* empty = &obj->q1;
    Queue* nonempty = &obj->q2;

    if (QueueEmpty(&obj->q2))
    {empty = &obj->q2;
        nonempty = &obj->q1;
    }

    while(QueueSize(nonempty) >1)
    {QueuePush(empty,QueueFront(nonempty));
        QueuePop(nonempty);
    }
    int top  = QueueFront(nonempty);
    QueuePop(nonempty);

    return top;
}

int myStackTop(MyStack* obj) {Queue* empty = &obj->q1;
    Queue* nonempty = &obj->q2;

    if (QueueEmpty(&obj->q2))
    {empty = &obj->q2;
        nonempty = &obj->q1;
    }

    while(QueueSize(nonempty) >1)
    {QueuePush(empty,QueueFront(nonempty));
        QueuePop(nonempty);
    }
    int top  = QueueFront(nonempty);
    QueuePush(empty,QueueFront(nonempty));
    QueuePop(nonempty);

    return top;
}

bool myStackEmpty(MyStack* obj) {return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}

void myStackFree(MyStack* obj) {QueueDestroy(&obj->q1);//注意队列结点的释放
    QueueDestroy(&obj->q2);
    free(obj);
}

2.3.2 设计循环队列

**题目链接:**https://leetcode-cn.com/problems/design-circular-queue/

题目描述：

题目分析：

首先，我们要考虑是用数组还是链表实现。
首先分析用链表实现，假设k(队列长度)为4，用链表实现首先要解决的问题是判空和判满的条件
判空和判满无法很好的进行区分，为了解决这个问题，我们可以：
1.改良队列数据结构增加一个变量记录队列长度
2.增加一个空余结点
增加一个空余结点解决了判空判满的区分，造成了新的问题：取队尾数据变得十分困难，当然也可以解决，但是可以看出用链表实现是比较麻烦的。
再看看用数组实现，
同样是增加一个空余结点，数组不仅解决了找尾部数据的问题，而且从具体实现上也比链表简单许多，因此选择数组实现是更为优的方式。
用数组实现还要注意几个细节实现：
判空判满：只要队头等于队尾队列为空，判断为满需要考虑队尾在数组末尾的情况，如果队尾不在末尾，队尾加一取模还是它本身，如果队尾在末尾，队尾加一取模就回到数组开头。
**入数据：**需要注意队尾在数组末尾再入数据时。
**出数据：**需要注意队头在数组末尾再出数据。
**取队尾数据：**注意队尾在数组头部。
入数据注意队尾回到数组头部，出数据注意队头回到数组头部，取队尾数据注意队尾在数组头部取队尾，也就是加一减一时能否回到正确位置。

代码实现：

typedef struct {int* a;
    int front;
    int rear;
    int k;
} MyCircularQueue;


MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    //多开一个解决判空判满问题
    obj->a = (int*)malloc(sizeof(int) * (k + 1));
    obj->front = 0;
    obj->rear = 0;
    //队列满时可以存储数据的个数，空间为k+1
    obj->k = k;

    return obj;
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj);
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {assert(obj);

    if (myCircularQueueIsFull(obj)==true)
    return false;

    obj->a[obj->rear] = value;
    obj->rear = (obj->rear + 1) % (obj->k + 1);
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {assert(obj);

    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
    return false;

    obj->front = (obj->front + 1) % (obj->k + 1);
    return true;
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {assert(obj);

    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;

    return obj->a[obj->front];
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {assert(obj);

    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;

    return obj->a[(obj->rear + obj->k) % (obj->k + 1)];
}

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {assert(obj);

    return obj->front == obj->rear;
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {assert(obj);

    return ((obj->rear + 1) % (obj->k + 1)) == obj->front;
}

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {assert(obj);

    free(obj->a);
    free(obj);
}

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