C语言栈和队列(个人笔记)

栈和队列

- 栈
- - 1.1栈的概念和结构
  - 1.2栈的实现
- 队列
- - 2.1队列的概念及结构
  - 2.2队列的实现
  - 2.3循环队列
- 栈和队列笔试题
- - 3.1[有效的括号](https://leetcode.cn/problems/valid-parentheses/submissions/516297357/)
  - 3.2[用队列实现栈](https://leetcode.cn/problems/implement-stack-using-queues/)
  - 3.3[栈实现队列](https://leetcode.cn/problems/implement-queue-using-stacks/)
  - 3.4[设计循环队列](https://leetcode.cn/problems/design-circular-queue/description/)

栈

1.1栈的概念和结构

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。(先进后出也称之为LIFO)

栈的操作
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

栈的实现可用数组或者链表实现,数组的话会更好些,因为在数组尾插尾删代价小

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

//初始化
void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);
	pst->a = NULL;
	pst->top = 0;//top为最后一个元素的下一个位置
	pst->capacity = 0;
}

//销毁栈
void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
	pst->top = 0;
	pst->capacity = 0;
}

//入栈
void STPush(ST* pst,STDataType x)
{
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a,sizeof(STDataType) * newcapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		pst->a = tmp;
		pst->capacity = newcapacity;
	}
	pst->a[pst->top] = x;
	pst->top++;
}

//判空
bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top == 0;
}

//出栈
void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	pst->top--;
}

//显示栈顶元素
STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	return pst->a[pst->top - 1];
}

//栈内元素个数
int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top;
}

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)
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:数组和链表的结构都可以实现，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。

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

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

typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size == 0;
}

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n");
		return;
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;
	if (pq->ptail == NULL)
	{
		assert(pq->phead == NULL);
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
        pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	if (pq->phead->next==NULL)
	{
		assert(pq->ptail->next == NULL);
		free(pq->phead);
		pq->phead = NULL;
		pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* cur = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = cur;
	}
	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}

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

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

2.3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。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
空：front ==rear
满：rear+1 ==front

栈和队列笔试题

3.1有效的括号

//C语言写的话，手撕栈是必不可少的，紧接着这道题是思路是将左括号入栈，遇到右括号则出栈，如果说有一个不匹配的就返回false，直到栈为空，才返回true，如果说左括号配对完了，但右括号仍还有，则栈为空，返回false
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

//初始化
void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);
	pst->a = NULL;
	pst->top = 0;//top为最后一个元素的下一个位置
	pst->capacity = 0;
}

//销毁栈
void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
	pst->top = 0;
	pst->capacity = 0;
}

//入栈
void STPush(ST* pst,STDataType x)
{
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a,sizeof(STDataType) * newcapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		pst->a = tmp;
		pst->capacity = newcapacity;
	}
	pst->a[pst->top] = x;
	pst->top++;
}

//判空
bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top == 0;
}

//出栈
void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	pst->top--;
}

//显示栈顶元素
STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	return pst->a[pst->top - 1];
}

//栈内元素个数
int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top;
}
bool isValid(char * s)
{
    ST st;
    STInit(&st);
    while(*s)
    {
        if(*s=='('||*s=='['||*s=='{')
        {
            STPush(&st,*s);
        }
        else
        {
            if(STEmpty(&st))
            {
                STDestroy(&st);
                return false;
            }
            char top=STTop(&st);
            STPop(&st);
            if((*s==')'&&top!='(')||(*s==']'&&top!='[')||(*s=='}'&&top!='{'))
            {
                STDestroy(&st);
                return false;
            }
        }
        s++;
    }
    bool ret=STEmpty(&st);
    STDestroy(&st);
    return ret;
}

3.2用队列实现栈

//还是一样，用c语言写首先得会手撕栈，然后本题的思路是，创建两个队列，将其初始化，入栈的逻辑是两个队列谁不是空就往哪个队列上插入，出栈的逻辑是先判断哪个队列是空，哪个不是空，将不是空的队列入为空的队列里去（入完之后还得将元素pop），且不为空的队列只留下最后一个元素，将其记录下来作为返回值（也要记得pop），而显示栈顶元素的逻辑是看哪个队列不为空，就返回该队列的最后一个元素，栈判空的逻辑是两个队列都要为空才为空，栈释放空间的逻辑是先销毁队列，然后再销毁存储两队列地址的结构体
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>

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

typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size == 0;
}

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail\n");
		return;
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = x;
	if (pq->ptail == NULL)
	{
		assert(pq->phead == NULL);
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
        pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	if (pq->phead->next==NULL)
	{
		assert(pq->ptail->next == NULL);
		free(pq->phead);
		pq->phead = NULL;
		pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* cur = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = cur;
	}
	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}

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

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

typedef struct {
    Queue q1;
    Queue q2;
} MyStack;


MyStack* myStackCreate() {
    MyStack* obj=(MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    if(obj==NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        return NULL;
    }
    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* pEmptyQ=&obj->q1;
    Queue*pNonEmptyQ=&obj->q2;
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        pEmptyQ=&obj->q2;
        pNonEmptyQ=&obj->q1;
    }
    while(QueueSize(pNonEmptyQ)>1)
    {
        QueuePush(pEmptyQ,QueueFront(pNonEmptyQ));
        QueuePop(pNonEmptyQ);
    }
    int top=QueueFront(pNonEmptyQ);
    QueuePop(pNonEmptyQ);
    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);
}

3.3栈实现队列

//还是一样，C语言写这题首先要会手撕栈，然后本题的思路是先创建两个栈，将其初始化，入队列的逻辑是将元素入pushst栈，函数peek的逻辑是popst栈如果没有元素则将pushst栈所以元素入popst栈，并弹出pushst栈所有元素，然后返回popst栈的栈顶元素，所以出队列的逻辑其实就是将peek函数的返回值记录下来，弹出被记录下来的值，然后再返回被记录下来的值，队列判空的逻辑是两个栈均为空才为空，队列释放空间的逻辑是先释放两个栈的空间，然后再释放保存两个栈地址的结构体
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

//初始化
void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);
	pst->a = NULL;
	pst->top = 0;//top为最后一个元素的下一个位置
	pst->capacity = 0;
}

//销毁栈
void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);
	free(pst->a);
	pst->a = NULL;
	pst->top = 0;
	pst->capacity = 0;
}

//入栈
void STPush(ST* pst,STDataType x)
{
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : pst->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a,sizeof(STDataType) * newcapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("malloc fail");
			return;
		}
		pst->a = tmp;
		pst->capacity = newcapacity;
	}
	pst->a[pst->top] = x;
	pst->top++;
}

//判空
bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top == 0;
}

//出栈
void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	pst->top--;
}

//显示栈顶元素
STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(!STEmpty(pst));
	return pst->a[pst->top - 1];
}

//栈内元素个数
int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top;
}


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


MyQueue* myQueueCreate() {
    MyQueue* obj=(MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    if(obj==NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        return NULL;
    }
    STInit(&obj->pushst);
    STInit(&obj->popst);
    return obj;
}

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

int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    int front=myQueuePeek(obj);
    STPop(&obj->popst);
    return front;
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    if(STEmpty(&obj->popst))
    {
        while(!STEmpty(&obj->pushst))
        {
            STPush(&obj->popst,STTop(&obj->pushst));
            STPop(&obj->pushst);
        }
    }
    return STTop(&obj->popst);
}

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

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

3.4设计循环队列

//该题的思路是：用一个顺序表实现的循环队列，队列结构体中包含首元素下标front，尾元素的下一个位置的下标rear，还有记录顺序表中元素个数的k，以及指向顺序表地址的a，然后将其开辟空间，初始化，循环队列判空的逻辑是front等于rear，判满的逻辑本应该是rear+1等于front，但是这个是以k+1为空间下标的循环，所以rear+1还得对k+1取模等于front，从队尾插入元素时，要先判断队列是否已满，插入之后要更新rear的位置（照样也要取模），删除对头元素时，要判断队列是否为空，然后更新front的位置（也要取模），取对头数据先判断队列是否为空，不为空直接取，取队尾数据先判断队列是否为空，由于rear时尾元素的下一个元素的下标，所以取尾元素的时候要注意rear因为减一导致访问越界，所以换成rear先加k再模k+1，释放队列时先释放a指向的开辟空间，然后再释放循环队列结构体
typedef struct {
    int front;
    int rear;
    int k;
    int* a;
} MyCircularQueue;


MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* obj=(MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    obj->a=(int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
    obj->front=0;
    obj->rear=0;
    obj->k=k;
    return obj;
}

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front==obj->rear;
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front==(obj->rear+1)%(obj->k+1);
}

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->a[obj->rear]=value;
    obj->rear++;
    obj->rear=obj->rear%(obj->k+1);
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->front++;
    obj->front%=(obj->k+1);
    return true;
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->a[obj->front];
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->a[(obj->rear+obj->k)%(obj->k+1)];
}

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    free(obj->a);
    obj->a=NULL;
    free(obj);
}