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【数据结构】栈和队列

分类：常见问题作者：weixin_63249832

目录

一.栈

栈的概念及结构

栈的实现

二.队列

队列的概念及结构

队列的实现 

三.栈和队列面试题

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

一.栈

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）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。

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。

//静态栈的结构
typedef int STDataType;
#define N 10
typedef struct Stack
{
STDataType _a[N];
int _top; // 栈顶
}Stack;
// 支持动态增长的栈
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
STDataType* _a;
int _top; // 栈顶
int _capacity; // 容量
}Stack;

实际中一般静态栈不实用，所以我们主要实现支持动态增长的栈 

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* arr;
	int top;
	int capacity;
}Stack;

void StackInit(Stack* ps);
void StackDestory(Stack* ps);
void StackPush(Stack* ps, STDataType x);
void StackPop(Stack* ps);
STDataType StackTop(Stack* ps);
bool StackEmpty(Stack* ps);
int StackSize(Stack* ps);


void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->arr = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}
void StackDestory(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}
void StackPush(Stack* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	//扩容
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->arr, newCapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->arr = tmp;
		ps->capacity = newCapacity;
	}
	//压栈
	ps->arr[ps->top] = x;
	ps->top++;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->top--;
}
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->arr[ps->top - 1];
}
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}
int StackSize(Stack* ps)
{
	return ps->top; 
}

二.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) 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。所以下面我们用链式结构实现队列。

typedef int QDaTaType;
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDaTaType data;
}QNode;

typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
	int size;
}Queue;

void QueueInit(Queue* pq);
void QueueDestory(Queue* pq);
void QueuePush(Queue* pq, QDaTaType x);
void QueuePop(Queue* pq);
QDaTaType QueueFront(Queue* pq);
QDaTaType QueueBack(Queue* pq);
bool QueueEmpty(Queue* pq);
int QueueSize(Queue* pq);

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}
void QueueDestory(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* del = cur;
		cur = cur->next;
		free(del);
	}

	pq->head = pq->tail = NULL;
}
void QueuePush(Queue* pq, QDaTaType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
	pq->size++;
}
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	if (pq->head->next == NULL)//队列中剩下最后一个节点时
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* del = pq->head;
		pq->head = pq->head->next;
		free(del);
		del = NULL;
	}
	pq->size--;
}
QDaTaType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->head->data;
}
QDaTaType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->tail->data;

}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL && pq->tail == NULL;
}
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size;
}

 

三.栈和队列面试题

1.括号匹配问题

题目链接

20.有效的括号 - 力扣（LeetCode）

题目描述

给定一个只包括 '('，')'，'{'，'}'，'['，']' 的字符串 s ，判断字符串是否有效。

有效字符串需满足：

        1.左括号必须用相同类型的右括号闭合。
        2.左括号必须以正确的顺序闭合。

示例 1：

输入：s = "()"
输出：true
示例 2：

输入：s = "()[]{}"
输出：true
示例 3：

输入：s = "(]"
输出：false
示例 4：

输入：s = "([)]"
输出：false
示例 5：

输入：s = "{[]}"
输出：true

提示：s仅由括号 '()[]{}' 组成

解题思路

创建一个栈，遍历字符串s，遇到左括号就入栈，遇到右括号就pop栈顶元素，与右括号比较，如果不符合就return false，如果栈已经为空，也return false，直到s被遍历完毕，然后判断栈是否为空，也就是判断左括号是否完全被成功匹配，如果栈为空，就return true，否则return false。

代码实现

由于C语言没有内置数据结构的库，因此我们需要自己写一个栈。代码如下

typedef char STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* arr;
	int top;
	int capacity;
}Stack;

void StackInit(Stack* ps);
void StackDestory(Stack* ps);
void StackPush(Stack* ps, STDataType x);
void StackPop(Stack* ps);
STDataType StackTop(Stack* ps);
bool StackEmpty(Stack* ps);
int StackSize(Stack* ps);


void StackInit(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	ps->arr = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}
void StackDestory(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}
void StackPush(Stack* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	//扩容
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->arr, newCapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->arr = tmp;
		ps->capacity = newCapacity;
	}
	//压栈
	ps->arr[ps->top] = x;
	ps->top++;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->top--;
}
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	return ps->arr[ps->top - 1];
}
bool StackEmpty(Stack* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}
int StackSize(Stack* ps)
{
	return ps->top; 
}

然后直接调用这个栈的接口实现功能即可，代码如下：

bool isValid(char * s){
    Stack st;
    StackInit(&st);

    while(*s)
    {
        if(*s == '{' || *s == '[' || *s == '(')
        {
            StackPush(&st, *s);
        }
        else
        {
            if(StackEmpty(&st))
                return false;
            char top = StackTop(&st);
            StackPop(&st);
            if ((*s == '}' && top != '{')
			|| (*s == ']' && top != '[')
			|| (*s == ')' && top != '('))
            {
                return false;
            }
        }
        ++s;
    }

    bool flag = StackEmpty(&st);
    StackDestory(&st);
    return flag;
}

2.用队列实现栈

题目链接

225.用队列实现栈 - 力扣（LeetCode）

题目描述

请你仅使用两个队列实现一个后入先出（LIFO）的栈，并支持普通栈的全部四种操作（push、top、pop 和 empty）。

实现 MyStack 类：

        void push(int x) 将元素 x 压入栈顶。
        int pop() 移除并返回栈顶元素。
        int top() 返回栈顶元素。
        boolean empty() 如果栈是空的，返回 true ；否则，返回 false 。

注意：

  • 你只能使用队列的基本操作 —— 也就是 push to back、peek/pop from front、size 和 is empty 这些操作。
  • 你所使用的语言也许不支持队列。 你可以使用 list （列表）或者 deque（双端队列）来模拟一个队列 , 只要是标准的队列操作即可。

示例：

输入：
["MyStack", "push", "push", "top", "pop", "empty"]
[[], [1], [2], [], [], []]
输出：
[null, null, null, 2, 2, false]

解释：
MyStack myStack = new MyStack();
myStack.push(1);
myStack.push(2);
myStack.top(); // 返回 2
myStack.pop(); // 返回 2
myStack.empty(); // 返回 False

解题思路

代码实现

3.用栈实现队列

题目链接

232.用栈实现队列 - 力扣（LeetCode）

题目描述

请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作（push、pop、peek、empty）：

实现 MyQueue 类：

void push(int x) 将元素 x 推到队列的末尾
int pop() 从队列的开头移除并返回元素
int peek() 返回队列开头的元素
boolean empty() 如果队列为空，返回 true ；否则，返回 false
说明：

  • 你 只能 使用标准的栈操作 —— 也就是只有 push to top, peek/pop from top, size, 和 is empty 操作是合法的。
  • 你所使用的语言也许不支持栈。你可以使用 list 或者 deque（双端队列）来模拟一个栈，只要是标准的栈操作即可。
     

示例 ：

输入：
["MyQueue", "push", "push", "peek", "pop", "empty"]
[[], [1], [2], [], [], []]
输出：
[null, null, null, 1, 1, false]

解释：
MyQueue myQueue = new MyQueue();
myQueue.push(1); // queue is: [1]
myQueue.push(2); // queue is: [1, 2] (leftmost is front of the queue)
myQueue.peek(); // return 1
myQueue.pop(); // return 1, queue is [2]
myQueue.empty(); // return false

解题思路

代码实现

4.设计循环队列

题目链接

622.设计循环队列 - 力扣（LeetCode）

题目描述

设计你的循环队列实现。 循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。

循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。

你的实现应该支持如下操作：

MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。
Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
isFull(): 检查循环队列是否已满。
 

示例：

MyCircularQueue circularQueue = new MyCircularQueue(3); // 设置长度为 3
circularQueue.enQueue(1);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(2);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(3);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(4);  // 返回 false，队列已满
circularQueue.Rear();  // 返回 3
circularQueue.isFull();  // 返回 true
circularQueue.deQueue();  // 返回 true
circularQueue.enQueue(4);  // 返回 true
circularQueue.Rear();  // 返回 4

解题思路

代码实现

 

原文地址：https://www.jb51.cc/wenti/3288386.html

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c语言c语言数据结构

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