【数据结构】C语言实现：栈（Stack）与队列（Queue）

栈

栈的概念及其结构

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）的原则。所以也有被称为后进先出的顺序结构。

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。

栈的顺序结构（杯子）

~~就像上述图片一样，像个”杯子“，只能从上面进出，后进先出；栈底是固定的，无法插入于删除。

栈的相关接口

我们来到cplusplus这个网站，查找库中的栈的接口。（这里我们只讲解C语言的哈，C++涉及的emplace和swap就暂不讲解）

栈的实现

栈，我们可以用顺序表实现，也可以用链表实现，各有各的优势，接下来我们就具体用C语言代码来实现下顺序栈和链栈。

顺序栈

顺序栈，也就是用顺序表来实现，顺序表也就是用了数组这一结构。动态内存管理，开辟一个空间大小固定的数组（当然可以扩容）。这一结构地址相连，方便访问。接下来我们先定义一个栈。

定义栈结构：

定义栈分为三部分：动态开辟数组（a）、top下标、容量（capacity）

typedef int STDataType;
//栈的定义
typedef struct Stack
{
   
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}S;

头文件 (Stack.h)

我们进行一个简单的分装，把库头文件、接口函数声明、结构体定义封装到头文件中。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
//定义初始空间大小
#define A_INIT 2
//定义栈元素类型：这里是为了我们的栈更兼容其他类型元素，比如我们现在想变为存储double的栈，只需要在这里把int改成double就可以。
typedef int STDataType;
//栈的定义
typedef struct Stack
{
   
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}S;
//初始化栈
void StackInit(S* stack);
//栈的销毁
void StackDestroy(S* stack);
//压栈
void StackPush(S* stack, STDataType x);
//出栈
void StackPop(S* stack);
//读取栈顶元素
STDataType StackTop(S* stack);
//判断是否空栈
bool StackEmpty(S* stack);
//栈的元素个数
int StackSize(S* stack);

初始化 (StackInit)

初始化：我们根据栈结构来初始化，所以也分为三部分：
1.对a，进行空间开辟，用malloc来开辟空间。
2.容量（便于后续扩容操作）
3.top下标。这里我们有两种主流的：初始化为0或者初始化为-1.
（ps：初始化为0，则表示top指向的是栈顶上一个元素，我们访问的时候就需要-1；初始化为-1，则表示top指针指向栈顶元素，直接访问即可。这里我便是采用初始化为-1）

void StackInit(S* stack)
{
   
	assert(stack);//断言
	stack->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * A_INIT);
	stack->capacity = A_INIT;
	stack->top = -1;
}

销毁 (StackDestroy)

同上，根据定义来，malloc的动态空间，调用free()函数来释放空间，以防内存泄漏。

void StackDestroy(S* stack)
{
   
	free(stack->a);
	stack->a = NULL;
	stack->capacity = 0;
	stack->top = -1;
}

压栈 (StackPush)

• 压栈：只需要把top指针上移，赋值新插入元素即可，也就是对应最后两段代码。
• ps：但我们插入要考虑我们开辟的容量问题，当容量空间不够我们需要扩容操作。
• 扩容：调用realloc函数进行空间的扩容。这里也有两个问题:原地扩容和异地扩容，这个详细我们在realloc函数那篇解释。这里影响并不是很大。

void StackPush(S* stack, STDataType x)
{
   
	//扩容
	assert(stack);
	if (stack->top + 1 == stack->capacity)
	{
   
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(stack->a, sizeof(STDataType) * 2 * stack->capacity);
		if (tmp == NULL)//判断是否扩容成功
		{
   
			perror("realloc error");
			return;
		}
		stack->a = tmp;
		stack->capacity = 2 * stack->capacity;
	}
	stack->top++;
	stack->a[stack->top] = x;
}

出栈(StackPop)

出栈就十分简单，先判断是否为空栈，若不是，只需要收回栈顶访问权，让栈顶指针指向下一个位置。

void StackPop(S* stack)
{
   
	assert(stack);
	assert(stack->top != -1);

	stack->top--;
}

读取栈顶元素 (StackTop)

这里值得注意的是top的初始化是0还是-1问题。

STDataType StackTop(S* stack)
{
   
	assert(stack);
	assert(stack->top + 1 != 0);

	return stack->a[stack->top];
}

判断空栈(StackEmpty)

判断栈顶top是否为默认初始值即可。

bool StackEmpty(S* stack)
{
   
	assert(stack);

	return stack->top == -1;
}

栈元素个数(StackSize)

这里也是需要注意top初始值问题。

int StackSize(S* stack)
{
   
	assert(stack);

	return stack->top+1;
}

队列

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)像个管道只允许一个数据通过，所以不能插队，先进先出。
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

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。

队列的相关接口

我们同样登录cplusplus网站去看下Queue的接口。

队列的实现

队列的定义：

队列的定义我们采用链表来定义，这里队列整体存在两个指针，和前面的双向循环的链表一样，我们最好把两个外部指针封装一下。
1.队列单独结点的定义有值和next指针。
2.队列整体的话有两个指向队列单独结点的head和tail指针，为了方便我这边也定义了size来定义队列结点个数。

typedef int Datatype;
//定义队列
typedef struct Queue
{
   
	struct Queue* next; 
	Datatype data;
}qnode;

typedef struct
{
   
	qnode* head;
	qnode* tail;
	int size;
}queue;

头文件（Queue.h）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>

typedef int Datatype;
//定义队列
typedef struct Queue
{
   
	struct Queue* next; 
	Datatype data;
}qnode;

typedef struct
{
   
	qnode* head;
	qnode* tail;
	int size;
}queue;

void QueueInit(queue* pq);
void QueueDestroy(queue* pa);
void QueuePush(queue* pq, Datatype x);
void QueuePop(queue* pq);
bool QueueEmpty(queue* pq);
int QueueSize(queue* pq);
Datatype QueueFront(queue* pq);
Datatype QueueBack(queue* pq);

初始化（QueueInit）

队列的初始化，因为没有结点，直接初始化外部指针即可。

void QueueInit(queue* pq)
{
   
	assert(pq);
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

销毁（QueueDestroy）

遍历指针，在释放即可。

void QueueDestroy(queue* pq)
{
   
	assert(pq);
	qnode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
   
		qnode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;
}

入队列（QueuePush）

入队列先进先出，单道通行。
1.首先是申请结点空间，然后赋值。
2.如果是队列为空，直接给head和tail指针赋值新节点地址；如果不为空，就赋值给tail的next指针。接在后方。
3.最后size计数，加加即可。

void QueuePush(queue* pq, Datatype x)
{
   
	qnode* node = (qnode*)malloc(sizeof(qnode));
	if (node == NULL)
	{
   
		perror("malloc error!");
		return;
	}
	node->next = NULL;
	node->data = x;

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

出队列（QueuePop）

出队列先入先出
1.注意断言队列是否为空。
2.若队列只有一个结点，直接释放，双指针置空即可；若队列不止一个结点，保存head的next指针，释放head指针，在head指针赋值新的head位置。
3.最后size减减即可。

void QueuePop(queue* pq)
{
   
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

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

判断队列是否为空（QueueEmpty）

bool QueueEmpty(queue* pq)
{
   
	assert(pq);

	return pq->head == NULL;
}

返回队列的结点个数（QueueSize）

这里直接返回size即可，若前方定义没有加size，就需要遍历计数返回。

int QueueSize(queue* pq)
{
   
	assert(pq);
	return pq->size;
}

队列首结点（QueueFront）

Datatype QueueFront(queue* pq)
{
   
	assert(pq);
	return pq->head->data;
}

队列尾结点（QueueBack）

Datatype QueueBack(queue* pq)
{
   
	assert(pq);
	return pq->tail->data;
}