算法-栈与队列

栈

「栈 stack」是一种遵循先入后出逻辑的线性数据结构。

栈的常用操作

出栈，入栈，访问栈顶元素

链表实现

/* 基于链表实现的栈 */
typedef struct {
    ListNode *top; // 将头节点作为栈顶
    int size;      // 栈的长度
} LinkedListStack;

/* 构造函数 */
LinkedListStack *newLinkedListStack() {
    LinkedListStack *s = malloc(sizeof(LinkedListStack));
    s->top = NULL;
    s->size = 0;
    return s;
}

/* 析构函数 */
void delLinkedListStack(LinkedListStack *s) {
    while (s->top) {
        ListNode *n = s->top->next;
        free(s->top);
        s->top = n;
    }
    free(s);
}

/* 获取栈的长度 */
int size(LinkedListStack *s) {
    return s->size;
}

/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty(LinkedListStack *s) {
    return size(s) == 0;
}

/* 入栈 */
void push(LinkedListStack *s, int num) {
    ListNode *node = (ListNode *)malloc(sizeof(ListNode));
    node->next = s->top; // 更新新加节点指针域
    node->val = num;     // 更新新加节点数据域
    s->top = node;       // 更新栈顶
    s->size++;           // 更新栈大小
}

/* 访问栈顶元素 */
int peek(LinkedListStack *s) {
    if (s->size == 0) {
        printf("栈为空\n");
        return INT_MAX;
    }
    return s->top->val;
}

/* 出栈 */
int pop(LinkedListStack *s) {
    int val = peek(s);
    ListNode *tmp = s->top;
    s->top = s->top->next;
    // 释放内存
    free(tmp);
    s->size--;
    return val;
}

数组实现

/* 基于数组实现的栈 */
typedef struct {
    int *data;
    int size;
} ArrayStack;

/* 构造函数 */
ArrayStack *newArrayStack() {
    ArrayStack *stack = malloc(sizeof(ArrayStack));
    // 初始化一个大容量，避免扩容
    stack->data = malloc(sizeof(int) * MAX_SIZE);
    stack->size = 0;
    return stack;
}

/* 析构函数 */
void delArrayStack(ArrayStack *stack) {
    free(stack->data);
    free(stack);
}

/* 获取栈的长度 */
int size(ArrayStack *stack) {
    return stack->size;
}

/* 判断栈是否为空 */
bool isEmpty(ArrayStack *stack) {
    return stack->size == 0;
}

/* 入栈 */
void push(ArrayStack *stack, int num) {
    if (stack->size == MAX_SIZE) {
        printf("栈已满\n");
        return;
    }
    stack->data[stack->size] = num;
    stack->size++;
}

/* 访问栈顶元素 */
int peek(ArrayStack *stack) {
    if (stack->size == 0) {
        printf("栈为空\n");
        return INT_MAX;
    }
    return stack->data[stack->size - 1];
}

/* 出栈 */
int pop(ArrayStack *stack) {
    int val = peek(stack);
    stack->size--;
    return val;
}

栈的典型应用

• 浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销。每当我们打开新的网页，浏览器就会对上一个网页执行入栈，这样我们就可以通过后退操作回到上一个网页。后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进，那么需要两个栈来配合实现。

• 程序内存管理。每次调用函数时，系统都会在栈顶添加一个栈帧，用于记录函数的上下文信息。在递归函数中，向下递推阶段会不断执行入栈操作，而向上回溯阶段则会不断执行出栈操作。

队列

「队列 queue」是一种遵循先入先出规则的线性数据结构。

队列的常见操作

出队，入队，访问对首元素

/* 基于链表实现的队列 */
typedef struct {
    ListNode *front, *rear;
    int queSize;
} LinkedListQueue;

/* 构造函数 */
LinkedListQueue *newLinkedListQueue() {
    LinkedListQueue *queue = (LinkedListQueue *)malloc(sizeof(LinkedListQueue));
    queue->front = NULL;
    queue->rear = NULL;
    queue->queSize = 0;
    return queue;
}

/* 析构函数 */
void delLinkedListQueue(LinkedListQueue *queue) {
    // 释放所有节点
    while (queue->front != NULL) {
        ListNode *tmp = queue->front;
        queue->front = queue->front->next;
        free(tmp);
    }
    // 释放 queue 结构体
    free(queue);
}

/* 获取队列的长度 */
int size(LinkedListQueue *queue) {
    return queue->queSize;
}

/* 判断队列是否为空 */
bool empty(LinkedListQueue *queue) {
    return (size(queue) == 0);
}

/* 入队 */
void push(LinkedListQueue *queue, int num) {
    // 尾节点处添加 node
    ListNode *node = newListNode(num);
    // 如果队列为空，则令头、尾节点都指向该节点
    if (queue->front == NULL) {
        queue->front = node;
        queue->rear = node;
    }
    // 如果队列不为空，则将该节点添加到尾节点后
    else {
        queue->rear->next = node;
        queue->rear = node;
    }
    queue->queSize++;
}

/* 访问队首元素 */
int peek(LinkedListQueue *queue) {
    assert(size(queue) && queue->front);
    return queue->front->val;
}

/* 出队 */
int pop(LinkedListQueue *queue) {
    int num = peek(queue);
    ListNode *tmp = queue->front;
    queue->front = queue->front->next;
    free(tmp);
    queue->queSize--;
    return num;
}

/* 打印队列 */
void printLinkedListQueue(LinkedListQueue *queue) {
    int *arr = malloc(sizeof(int) * queue->queSize);
    // 拷贝链表中的数据到数组
    int i;
    ListNode *node;
    for (i = 0, node = queue->front; i < queue->queSize; i++) {
        arr[i] = node->val;
        node = node->next;
    }
    printArray(arr, queue->queSize);
    free(arr);
}