【数据结构】栈和队列

栈和队列

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。

出栈就是少一个栈顶元素。

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。

初始化栈

void StackInit(Stack* ps) {
	assert(ps);
	ps->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * 4);
	if (ps->a == NULL) {
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	ps->top = 0;
	ps->capacity = 4;
}
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入栈

void StackPush(Stack* ps, STDataType x) {
	assert(ps);
    //判断栈是否满了，如果满了就扩容
	if (ps->top == ps->capacity) {
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, ps->capacity * 2 * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL) {
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity *= 2;
	}
	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}
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出栈

void StackPop(Stack* ps) {
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	ps->top--;
}
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获取栈顶元素

STDataType StackTop(Stack* ps) {
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));
	return ps->a[ps->top - 1];
}
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获取栈中有效元素个数

int StackSize(Stack* ps) {
	assert(ps);

	return ps->top;
}
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判断栈是否为空

bool StackEmpty(Stack* ps) {
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}
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销毁栈

void StackDestroy(Stack* ps) {
	assert(ps);
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = ps->capacity = 0;
}
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括号匹配问题

思路：这题主要思路，就是遇见左括号就入栈，遇见右括号就将栈顶元素，拿出来对比是否匹配，如果不匹配就直接返回false.

typedef char STDatatype;
typedef struct Stack
{
	STDatatype* a;
	int capacity;
	int top;   // 初始为0，表示栈顶位置下一个位置下标
}ST;


bool StackEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);
	return ps->top == -1;
}
void StackInit(ST* ps)
{
	assert(ps);

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

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

	ps->top = -1;
	ps->capacity = 4;
}

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

	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->top = -1;
	ps->capacity = 0;
}

void StackPush(ST* ps, STDatatype x)
{
	assert(ps);

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

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

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

// 20:20
void StackPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

	ps->top--;
}

STDatatype StackTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(!StackEmpty(ps));

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



int StackSize(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top+1;
}

bool isValid(char * s){
    ST st;
    StackInit(&st);
    while(*s) {
        if(*s == '[' || *s == '(' || *s == '{') {
            StackPush(&st, *s);
            s ++;
        }else {
            if(StackEmpty(&st)) {
                StackDestroy(&st);
                return false;
            }
            char top = StackTop(&st);
            StackPop(&st);
            if(*s == ']' && top != '[' || *s == '}' && top != '{' || *s == ')' && top != '(') {
                StackDestroy(&st);
                return false;
            }else {
                s ++;
            }
        }
    }
    bool ret = StackEmpty(&st);
    StackDestroy(&st);
    return ret;
}
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由于C语言没有栈这个类，所以我们需要自己实现栈，并调用来实现。

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，队列具有先进先出特性。

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对头

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，效率比较低。

初始化队列

void QueueInit(Queue* q) {
	assert(q);
	q->front = NULL;
	q->rear = NULL;
	q->size = 0;
}
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队尾入队列

void QueuePush(Queue* q, QDataType data) {
	assert(q);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL) {
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = data;
	newnode->pNext = NULL;
	if (q->rear == NULL) {
		q->front = q->rear = newnode;
	}
	else {
		q->rear->pNext = newnode;
		q->rear = newnode;
	}
	q->size++;
}
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队头出队列

void QueuePop(Queue* q) {
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	if (q->front->pNext == NULL) {
		free(q->front);
		q->front = q->rear = NULL;
	}
	else {
		QNode* del = q->front;
		q->front = q->front->pNext;
		free(del);
	}
	q->size--;
}
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获取队头元素

QDataType QueueFront(Queue* q) {
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->front->data;
}
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获取队尾元素

QDataType QueueBack(Queue* q) {
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->rear->data;
}
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销毁队列

void QueueDestroy(Queue* q) {
	assert(q);
	QNode* cur = q->front;
	while (cur) {
		QNode* del = cur;
		cur = cur->pNext;
		free(del);
	}
	q->front = q->rear = NULL;
	q->size = 0;
}
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判断队列是否为空

bool QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);

	return q->front == NULL && q->rear == NULL;
}
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用队列实现栈

思路：

队列：先进先出 栈：先进后出

保持一个队列存数据，一个队列为空，队列出数据是在队头的，而栈相当于在队尾出数据。

代码：

typedef struct {
    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) {
    if(!QueueEmpty(&obj->q1)) {
        QueuePush(&obj->q1, x);
    }else {
        QueuePush(&obj->q2, x);
    }
}

int myStackPop(MyStack* obj) {
    Queue* emptyQ = &obj->q1;
    Queue* noemptyQ = &obj->q2;
    if(!QueueEmpty(&obj->q1)) {
        emptyQ = &obj->q2;
        noemptyQ = &obj->q1;
    }
    while(QueueSize > 1) {
        QueuePush(emptyQ, QueueFront(noemptyQ));
        QueuePop(noemptyQ);
    }
    int top = QueueFront(noemptyQ);
    QueuePop(noemptyQ);
    return top;
}

int myStackTop(MyStack* obj) {
    if(!QueueEmpty(&obj->q1)) {
        return QueueBack(&obj->q1);
    }else {
        return QueueBack(&obj->q2);
    }
}

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

void myStackFree(MyStack* obj) {
    QueueDestroy(&obj->q1);
    QueueDestroy(&obj->q2);
    free(obj);
}
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用栈实现队列

思路：两个栈一个栈用来插入数据，另一个栈用来弹出数据。

代码：

typedef struct {
    ST pushst;
    ST popst;
} MyQueue;
MyQueue* myQueueCreate() {
    MyQueue* pq = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    StackInit(&pq->pushst);
    StackInit(&pq->popst);
    return pq;
}
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
    assert(obj);
    StackPush(&obj->pushst, x);
}
int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    assert(!myQueueEmpty(obj));
    int peek = myQueuePeek(obj);
    StackPop(&obj->popst);
    return peek;
}
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    assert(!myQueueEmpty(obj));
    if(StackEmpty(&obj->popst)) {
        while(!StackEmpty(&obj->pushst)) {
            StackPush(&obj->pushst, StackTop(&obj->popst));
            StackPop(&obj->pushst);
        }
    }
    return StackTop(&obj->popst);
}
bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    return StackEmpty(&obj->pushst) && StackEmpty(&obj->popst);
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) {
    assert(obj);
    StackDestroy(&obj->pushst);
    StackDestroy(&obj->popst);
    free(obj);
}
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