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C語言怎么實現棧和隊列

發布時間:2022-04-24 10:47:58 來源:億速云 閱讀:178 作者:iii 欄目:開發技術

C語言怎么實現棧和隊列

在計算機科學中,棧(Stack)和隊列(Queue)是兩種非常重要的數據結構。它們廣泛應用于各種算法和程序中,如表達式求值、函數調用、任務調度等。本文將詳細介紹如何在C語言中實現棧和隊列,并通過代碼示例幫助讀者理解其工作原理。

1. 棧(Stack)

1.1 棧的基本概念

棧是一種遵循后進先出(LIFO, Last In First Out)原則的線性數據結構。這意味著最后進入棧的元素將最先被移除。棧的操作主要包括:

  • Push(入棧):將元素添加到棧的頂部。
  • Pop(出棧):移除并返回棧頂的元素。
  • Peek(查看棧頂元素):返回棧頂的元素但不移除它。
  • IsEmpty(判斷棧是否為空):檢查棧是否為空。

1.2 棧的實現

在C語言中,??梢酝ㄟ^數組或鏈表來實現。下面我們將分別介紹這兩種實現方式。

1.2.1 使用數組實現棧

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

#define MAX_SIZE 100

typedef struct {
    int data[MAX_SIZE];
    int top;
} Stack;

// 初始化棧
void initStack(Stack *s) {
    s->top = -1;
}

// 判斷棧是否為空
bool isEmpty(Stack *s) {
    return s->top == -1;
}

// 判斷棧是否已滿
bool isFull(Stack *s) {
    return s->top == MAX_SIZE - 1;
}

// 入棧
void push(Stack *s, int value) {
    if (isFull(s)) {
        printf("棧已滿,無法入棧\n");
        return;
    }
    s->data[++s->top] = value;
}

// 出棧
int pop(Stack *s) {
    if (isEmpty(s)) {
        printf("棧為空,無法出棧\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    return s->data[s->top--];
}

// 查看棧頂元素
int peek(Stack *s) {
    if (isEmpty(s)) {
        printf("棧為空,無法查看棧頂元素\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    return s->data[s->top];
}

int main() {
    Stack s;
    initStack(&s);

    push(&s, 10);
    push(&s, 20);
    push(&s, 30);

    printf("棧頂元素: %d\n", peek(&s));

    printf("出棧元素: %d\n", pop(&s));
    printf("出棧元素: %d\n", pop(&s));

    printf("棧頂元素: %d\n", peek(&s));

    return 0;
}

1.2.2 使用鏈表實現棧

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

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} Node;

typedef struct {
    Node *top;
} Stack;

// 初始化棧
void initStack(Stack *s) {
    s->top = NULL;
}

// 判斷棧是否為空
bool isEmpty(Stack *s) {
    return s->top == NULL;
}

// 入棧
void push(Stack *s, int value) {
    Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if (newNode == NULL) {
        printf("內存分配失敗\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    newNode->data = value;
    newNode->next = s->top;
    s->top = newNode;
}

// 出棧
int pop(Stack *s) {
    if (isEmpty(s)) {
        printf("棧為空,無法出棧\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    Node *temp = s->top;
    int value = temp->data;
    s->top = temp->next;
    free(temp);
    return value;
}

// 查看棧頂元素
int peek(Stack *s) {
    if (isEmpty(s)) {
        printf("棧為空,無法查看棧頂元素\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    return s->top->data;
}

int main() {
    Stack s;
    initStack(&s);

    push(&s, 10);
    push(&s, 20);
    push(&s, 30);

    printf("棧頂元素: %d\n", peek(&s));

    printf("出棧元素: %d\n", pop(&s));
    printf("出棧元素: %d\n", pop(&s));

    printf("棧頂元素: %d\n", peek(&s));

    return 0;
}

1.3 棧的應用

棧在計算機科學中有廣泛的應用,例如:

  • 函數調用:每次函數調用時,系統會將返回地址、局部變量等信息壓入棧中,函數返回時再將這些信息彈出。
  • 表達式求值:??梢杂糜谥芯Y表達式到后綴表達式的轉換,以及后綴表達式的求值。
  • 括號匹配:??梢杂糜跈z查表達式中的括號是否匹配。

2. 隊列(Queue)

2.1 隊列的基本概念

隊列是一種遵循先進先出(FIFO, First In First Out)原則的線性數據結構。這意味著最先進入隊列的元素將最先被移除。隊列的操作主要包括:

  • Enqueue(入隊):將元素添加到隊列的尾部。
  • Dequeue(出隊):移除并返回隊列頭部的元素。
  • Peek(查看隊頭元素):返回隊列頭部的元素但不移除它。
  • IsEmpty(判斷隊列是否為空):檢查隊列是否為空。

2.2 隊列的實現

在C語言中,隊列可以通過數組或鏈表來實現。下面我們將分別介紹這兩種實現方式。

2.2.1 使用數組實現隊列

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

#define MAX_SIZE 100

typedef struct {
    int data[MAX_SIZE];
    int front;
    int rear;
} Queue;

// 初始化隊列
void initQueue(Queue *q) {
    q->front = -1;
    q->rear = -1;
}

// 判斷隊列是否為空
bool isEmpty(Queue *q) {
    return q->front == -1 && q->rear == -1;
}

// 判斷隊列是否已滿
bool isFull(Queue *q) {
    return (q->rear + 1) % MAX_SIZE == q->front;
}

// 入隊
void enqueue(Queue *q, int value) {
    if (isFull(q)) {
        printf("隊列已滿,無法入隊\n");
        return;
    }
    if (isEmpty(q)) {
        q->front = 0;
    }
    q->rear = (q->rear + 1) % MAX_SIZE;
    q->data[q->rear] = value;
}

// 出隊
int dequeue(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) {
        printf("隊列為空,無法出隊\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    int value = q->data[q->front];
    if (q->front == q->rear) {
        q->front = q->rear = -1;
    } else {
        q->front = (q->front + 1) % MAX_SIZE;
    }
    return value;
}

// 查看隊頭元素
int peek(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) {
        printf("隊列為空,無法查看隊頭元素\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    return q->data[q->front];
}

int main() {
    Queue q;
    initQueue(&q);

    enqueue(&q, 10);
    enqueue(&q, 20);
    enqueue(&q, 30);

    printf("隊頭元素: %d\n", peek(&q));

    printf("出隊元素: %d\n", dequeue(&q));
    printf("出隊元素: %d\n", dequeue(&q));

    printf("隊頭元素: %d\n", peek(&q));

    return 0;
}

2.2.2 使用鏈表實現隊列

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

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} Node;

typedef struct {
    Node *front;
    Node *rear;
} Queue;

// 初始化隊列
void initQueue(Queue *q) {
    q->front = NULL;
    q->rear = NULL;
}

// 判斷隊列是否為空
bool isEmpty(Queue *q) {
    return q->front == NULL;
}

// 入隊
void enqueue(Queue *q, int value) {
    Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if (newNode == NULL) {
        printf("內存分配失敗\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    newNode->data = value;
    newNode->next = NULL;

    if (isEmpty(q)) {
        q->front = q->rear = newNode;
    } else {
        q->rear->next = newNode;
        q->rear = newNode;
    }
}

// 出隊
int dequeue(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) {
        printf("隊列為空,無法出隊\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    Node *temp = q->front;
    int value = temp->data;
    q->front = temp->next;

    if (q->front == NULL) {
        q->rear = NULL;
    }

    free(temp);
    return value;
}

// 查看隊頭元素
int peek(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) {
        printf("隊列為空,無法查看隊頭元素\n");
        exit(EXIT_FLURE);
    }
    return q->front->data;
}

int main() {
    Queue q;
    initQueue(&q);

    enqueue(&q, 10);
    enqueue(&q, 20);
    enqueue(&q, 30);

    printf("隊頭元素: %d\n", peek(&q));

    printf("出隊元素: %d\n", dequeue(&q));
    printf("出隊元素: %d\n", dequeue(&q));

    printf("隊頭元素: %d\n", peek(&q));

    return 0;
}

2.3 隊列的應用

隊列在計算機科學中也有廣泛的應用,例如:

  • 任務調度:操作系統使用隊列來管理進程的調度,確保先進入隊列的任務先被執行。
  • 緩沖區:隊列可以用于實現緩沖區,如打印任務隊列、網絡數據包隊列等。
  • 廣度優先搜索(BFS):在圖算法中,隊列用于實現廣度優先搜索。

3. 棧與隊列的比較

棧和隊列雖然都是線性數據結構,但它們的操作方式和應用場景有所不同:

  • 操作方式

    • 棧遵循后進先出(LIFO)原則,只能在一端(棧頂)進行插入和刪除操作。
    • 隊列遵循先進先出(FIFO)原則,插入操作在隊尾進行,刪除操作在隊頭進行。
  • 應用場景

    • 棧適用于需要回溯的場景,如函數調用、表達式求值、括號匹配等。
    • 隊列適用于需要按順序處理的場景,如任務調度、緩沖區管理等。

4. 總結

棧和隊列是計算機科學中最基本的數據結構之一,理解它們的實現原理和應用場景對于編寫高效的程序至關重要。本文通過C語言代碼示例詳細介紹了如何使用數組和鏈表實現棧和隊列,并探討了它們的應用場景。希望本文能幫助讀者更好地理解和掌握這兩種數據結構。

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