用队列实现栈
实现代码如下
看着是队列,其实实际实现更接近数组模拟
typedef struct {
int* queue1; // 第一个队列
int* queue2; // 第二个队列
int size; // 栈的大小
int front1, rear1, front2, rear2; // 两个队列的首尾指针
} MyStack;
//初始化栈
MyStack* myStackCreate() {
MyStack* stack = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
stack->queue1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 100);
stack->queue2 = (int*)malloc(sizeof(int) * 100);
stack->size = 0;
stack->front1 = stack->rear1 = 0;
stack->front2 = stack->rear2 = 0;
return stack;
}
//将元素 x 压入栈顶
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
obj->queue1[obj->rear1++] = x; // 将元素加入 queue1 的尾部
obj->size++;
}
//移除并返回栈顶元素
int myStackPop(MyStack* obj) {
int i;
// 将 queue1 中的元素(除了最后一个)转移到 queue2 中
for (i = 0; i < obj->size - 1; i++) {
obj->queue2[obj->rear2++] = obj->queue1[obj->front1++];
}
int top = obj->queue1[obj->front1++]; // 获取栈顶元素
obj->size--;
// 交换 queue1 和 queue2,为下次操作做准备
int* temp = obj->queue1;
obj->queue1 = obj->queue2;
obj->queue2 = temp;
obj->front1 = 0;
obj->rear1 = obj->size;
obj->front2 = 0;
obj->rear2 = 0;
return top;
}
//返回栈顶元素
int myStackTop(MyStack* obj) {
int i;
// 将 queue1 中的元素转移到 queue2 中
for (i = 0; i < obj->size; i++) {
obj->queue2[obj->rear2++] = obj->queue1[obj->front1++];
}
int top = obj->queue2[obj->rear2 - 1]; // 获取栈顶元素
// 交换 queue1 和 queue2,为下次操作做准备
int* temp = obj->queue1;
obj->queue1 = obj->queue2;
obj->queue2 = temp;
obj->front1 = 0;
obj->rear1 = obj->size;
obj->front2 = 0;
obj->rear2 = 0;
return top;
}
//如果栈是空的,返回 true;否则,返回 false
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
return obj->size == 0;
}
void myStackFree(MyStack* obj) {
free(obj->queue1);
free(obj->queue2);
free(obj);
}
虽然注释已经够详细了,但是我们还是来逐步分析一下
代码实际上并没有使用链式队列,而是使用了两个固定大小的数组来模拟栈的行为。
首先,我们定义了一个结构体MyStack,它包含两个整数数组queue1和queue2(其实在这里,它们更像栈,因为数组是按照后进先出的顺序使用的),以及它们的前后端指针和栈的大小。
myStackCreate
这个函数用于初始化栈。它分配了MyStack结构体的内存,并为两个数组分配了内存。然后,它初始化了所有的指针和大小为0。
myStackPush
这个函数用于将元素压入栈顶。它简单地将元素添加到queue1的尾部,并更新rear1指针和栈的大小。
myStackPop
这个函数用于移除并返回栈顶元素。但是,这里有一个问题:它实际上将整个queue1(除了最后一个元素)转移到了queue2,然后返回了queue1的最后一个元素。之后,它交换了两个数组,并重置了所有的指针。这样做在每次pop操作时都非常低效,因为它涉及到大量元素的移动。
一个更高效的方法是,每次pop时,只需要记录queue1的最后一个元素(即栈顶元素),然后将其余元素(如果有的话)从queue1转移到queue2,并交换两个队列的引用。但是,在交换后,不需要重置所有的指针,因为queue2的front2和rear2已经指向了正确的位置。
myStackTop
这个函数与myStackPop非常相似,但是它返回栈顶元素而不移除它。然而,与myStackPop一样,它也涉及到了不必要的元素移动和数组交换。
myStackEmpty
这个函数检查栈是否为空,通过检查栈的大小是否为0来实现。
myStackFree
这个函数释放了栈所使用的所有内存。
改进建议
- 避免不必要的元素移动:在pop和top操作中,只需要移动除了栈顶元素之外的其他元素。
- 减少指针重置:在交换数组后,不需要总是重置所有的前端和后端指针。
- 考虑使用真正的链式队列:如果你想要一个链式栈,你应该使用链式队列(通过节点连接)而不是数组。链式实现会更灵活,并且在处理大量数据时可能更高效。
- 错误处理:在分配内存时,应该检查malloc是否成功,并在失败时返回错误或进行其他处理。
- 边界检查:在pop和top操作中,应该检查栈是否为空,以避免访问空指针或未定义的内存。
- 优化内存使用:如果你知道栈的大小上限,可以使用固定大小的数组。但是,如果你想要一个可以动态增长的栈,那么链式实现可能更合适。
下面是优化后的代码
在这个版本中,我们使用了一个指针queue和两个布尔值(但实际上我们只需要一个,因为!isQueue1就等同于isQueue2)来追踪当前正在使用的队列。当栈满时,我们尝试扩容,并将元素从queue2(如果它包含元素)复制到queue1。我们还添加了一个检查,以便在queue1使用了超过一半的空间时,将元素从queue1复制到queue2,并切换队列,以保持两个队列之间的负载均衡。
我们还在myStackFree函数中释放了内存,并处理了malloc和realloc可能返回NULL的情况。
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#define INITIAL_CAPACITY 100
typedef struct {
int* queue;
int capacity;
int top;
bool isQueue1; // 表示当前正在使用queue1还是queue2
} MyStack;
MyStack* myStackCreate() {
MyStack* obj = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
if (!obj) return NULL;
obj->queue = (int*)malloc(INITIAL_CAPACITY * sizeof(int));
if (!obj->queue) {
free(obj);
return NULL;
}
obj->capacity = INITIAL_CAPACITY;
obj->top = -1; // 栈顶指针初始化为-1,表示空栈
obj->isQueue1 = true; // 初始时使用queue1
return obj;
}
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
if (obj->top == obj->capacity - 1) { // 栈满,扩容
int newCapacity = obj->capacity * 2;
int* newQueue = (int*)realloc(obj->isQueue1 ? obj->queue : (obj->queue - INITIAL_CAPACITY), newCapacity * sizeof(int));
if (!newQueue) return; // 扩容失败
obj->queue = newQueue + (obj->isQueue1 ? 0 : INITIAL_CAPACITY); // 调整指针,确保obj->queue始终指向当前使用的队列
obj->capacity = newCapacity;
// 如果之前使用queue2,现在切换回queue1,则需要复制数据
if (!obj->isQueue1) {
for (int i = 0; i <= obj->top; i++) {
obj->queue[i] = obj->queue[i + INITIAL_CAPACITY];
}
obj->isQueue1 = true; // 切换回queue1
}
}
obj->queue[++obj->top] = x; // 压栈
}
int myStackPop(MyStack* obj) {
if (obj->top == -1) return -1; // 栈空
int x = obj->queue[obj->top--]; // 弹出栈顶元素
// 如果queue1已经使用了超过一半的空间,且queue2是空的,则考虑将queue1的元素移到queue2,并切换队列
if (obj->isQueue1 && obj->top > obj->capacity / 4) {
for (int i = 0; i <= obj->top; i++) {
obj->queue[i + INITIAL_CAPACITY] = obj->queue[i];
}
obj->isQueue1 = false; // 切换到queue2
obj->top += INITIAL_CAPACITY; // 更新top指针
}
return x;
}
int myStackTop(MyStack* obj) {
if (obj->top == -1) return -1; // 栈空
return obj->queue[obj->top]; // 返回栈顶元素
}
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
return obj->top == -1; // 检查栈是否为空
}
void myStackFree(MyStack* obj) {
if (obj) {
free(obj->queue - (obj->isQueue1 ? 0 : INITIAL_CAPACITY)); // 释放队列内存
free(obj);
}
}