C语言中的队列与栈：实现与使用
队列（Queue）和栈（Stack）是计算机科学中两种重要的线性数据结构。它们的基本操作简单，但应用广泛，特别是在处理排序、缓存、任务调度等问题时，队列和栈常常成为解决问题的关键工具。本文将详细探讨C语言中如何实现和使用队列与栈，介绍它们的工作原理，常见操作，以及如何在实际开发中应用它们。
一、栈（Stack）
1.1 栈的基本概念
栈是一种先进后出（LIFO，Last In, First Out）的数据结构。也就是说，栈中最后插入的元素最先被删除。栈通常具有以下基本操作：
push：将元素压入栈中。
pop：从栈中弹出元素。
peek（或top）：获取栈顶元素，但不删除它。
isEmpty：检查栈是否为空。
栈常见的应用包括表达式求值、括号匹配、函数调用的递归栈等。
1.2 栈的实现
在C语言中，我们可以使用数组或链表来实现栈。这里，我们将实现一个基于数组的栈结构。
1.2.1 栈的结构体
首先，我们定义一个栈结构体，其中包含一个数组来存储栈元素，并维护栈顶指针（top）来记录栈的当前状态。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX 100 // 定义栈的最大大小
// 栈的结构体
typedef struct Stack {
int arr[MAX];
int top;
} Stack;
1.2.2 初始化栈
接下来，我们需要一个函数来初始化栈，将栈顶指针（top）设置为-1，表示栈为空。
// 初始化栈
void initStack(Stack* s) {
s->top = -1; // 栈为空，栈顶指针为-1
}
1.2.3 入栈操作（push）
push操作用于将一个元素压入栈中。我们首先检查栈是否已满，如果栈满则无法插入新元素。
// 入栈操作
int push(Stack* s, int value) {
if (s->top == MAX - 1) {
printf("栈已满，无法入栈。\n");
return -1; // 栈满，返回错误
}
s->arr[++(s->top)] = value; // 将元素压入栈顶
return 0; // 入栈成功
}
1.2.4 出栈操作（pop）
pop操作用于从栈中弹出一个元素。我们首先检查栈是否为空，如果栈为空，则无法执行出栈操作。
// 出栈操作
int pop(Stack* s) {
if (s->top == -1) {
printf("栈为空，无法出栈。\n");
return -1; // 栈为空，返回错误
}
return s->arr[(s->top)--]; // 弹出栈顶元素并返回
}
1.2.5 获取栈顶元素（peek）
peek操作用于查看栈顶元素，而不移除它。我们同样需要检查栈是否为空。
// 获取栈顶元素
int peek(Stack* s) {
if (s->top == -1) {
printf("栈为空。\n");
return -1; // 栈为空，返回错误
}
return s->arr[s->top]; // 返回栈顶元素
}
1.2.6 检查栈是否为空
// 检查栈是否为空
int isEmpty(Stack* s) {
return s->top == -1; // 如果栈顶指针为-1，则栈为空
}
1.2.7 打印栈中的元素
我们还可以实现一个打印栈的函数，帮助调试和观察栈的状态。
// 打印栈中的元素
void printStack(Stack* s) {
if (isEmpty(s)) {
printf("栈为空。\n");
return;
}
for (int i = s->top; i >= 0; i--) {
printf("%d ", s->arr[i]);
}
printf("\n");
}
1.3 栈的应用实例
栈的应用非常广泛，例如：
1.3.1 括号匹配
栈常用于解决括号匹配的问题。例如，在一个表达式中判断括号是否成对匹配，可以通过栈来实现。每遇到一个左括号，就将它压入栈中；每遇到一个右括号，就弹出栈顶元素，若匹配成功，则继续，否则表示不匹配。
// 判断括号是否匹配
int isValidParentheses(char* s) {
Stack stack;
initStack(&stack);
for (int i = 0; s[i] != '\0'; i++) {
if (s[i] == '(') {
push(&stack, '(');
} else if (s[i] == ')') {
if (isEmpty(&stack)) {
return 0; // 没有左括号可匹配
}
pop(&stack); // 弹出匹配的左括号
}
}
return isEmpty(&stack); // 如果栈为空，表示括号匹配
}
二、队列（Queue）
2.1 队列的基本概念
队列是一种先进先出（FIFO，First In First Out）的数据结构。队列中的元素按照顺序排队，队列的两端分别是队头和队尾。队列常见的基本操作包括：
enqueue：将元素添加到队尾。
dequeue：从队头移除元素。
front：获取队头元素，但不删除它。
isEmpty：检查队列是否为空。
队列常用于任务调度、缓存系统、消息传递等场景。
2.2 队列的实现
和栈一样，队列也可以使用数组或链表来实现。在本例中，我们将实现一个基于数组的队列。
2.2.1 队列的结构体
我们定义一个队列结构体，包含一个数组来存储队列元素，以及队头和队尾指针来标识队列的当前状态。
#define MAX_QUEUE_SIZE 100
// 队列的结构体
typedef struct Queue {
int arr[MAX_QUEUE_SIZE];
int front;
int rear;
} Queue;
2.2.2 初始化队列
初始化队列时，我们将队头和队尾指针都设置为0，表示队列为空。
// 初始化队列
void initQueue(Queue* q) {
q->front = 0;
q->rear = 0;
}
2.2.3 入队操作（enqueue）
enqueue操作用于将一个元素添加到队尾。如果队列已满，则无法插入新元素。
// 入队操作
int enqueue(Queue* q, int value) {
if (q->rear == MAX_QUEUE_SIZE) {
printf("队列已满，无法入队。\n");
return -1; // 队列满，返回错误
}
q->arr[q->rear++] = value; // 将元素插入队尾
return 0; // 入队成功
}
2.2.4 出队操作（dequeue）
dequeue操作用于从队头移除一个元素。如果队列为空，则无法执行出队操作。
// 出队操作
int dequeue(Queue* q) {
if (q->front == q->rear) {
printf("队列为空，无法出队。\n");
return -1; // 队列为空，返回错误
}
return q->arr[q->front++]; // 移除队头元素并返回
}
2.2.5 获取队头元素（front）
front操作用于获取队头元素，而不移除它。
// 获取队头元素
int front(Queue* q) {
if (q->front == q->rear) {
printf("队列为空。\n");
return -1; // 队列为空，返回错误
}
return q->arr[q->front]; // 返回队头元素
}
2.2.6 检查队列是否为空
// 检查队列是否为空
int isQueueEmpty(Queue* q) {
return q->front == q->rear; // 如果队头和队尾指针相等，则队列为空
}
2.3 队列的应用实例
队列在实际中有着广泛的应用，尤其是在涉及到任务调度和资源管理的系统中。例如：
2.3.1 操作系统中的进程调度
操作系统中使用队列来管理和调度进程。每个新加入的进程会被放入队列的尾部，系统根据队头进程来分配CPU时间。
2.3.2 缓存管理
队列常用于缓存管理中，特别是在实现先进先出（FIFO）缓存时。通过队列，缓存可以自动地按顺序管理数据。
2.3.3 打印任务调度
在打印机任务调度中，任务按照进入的顺序排队。最先到达的打印任务会先被打印，后到达的则排在队列的尾部。
2.4 双端队列（Deque）
双端队列（Deque，Double Ended Queue）是一种允许从两端插入和删除元素的队列。可以根据需求选择从头部或者尾部进行插入和删除操作。双端队列结合了栈和队列的特点，是一种非常灵活的数据结构。
三、总结
本文详细讲解了C语言中栈和队列的实现与应用。栈是一种先进后出（LIFO）的数据结构，广泛应用于括号匹配、表达式求值等问题；队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，常用于任务调度、缓存管理等场景。通过C语言的实现代码，我们可以看到这些数据结构在实际应用中的简单实现和强大功能。希望本文的内容能够帮助你更好地理解和使用这些基础数据结构，为解决各种问题提供有效的工具。
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