用有趣的角度，把stack&queue吃透！

2023-08-24 16:56:36

了解数据结构的基石：堆栈与队列

简介

堆栈与队列是计算机科学中至关重要的数据结构，它们在处理数据并解决实际问题方面发挥着至关重要的作用。掌握堆栈和队列的运用，将为程序员打开一扇解决复杂算法和优化数据存储的宝贵大门。本文将深入探讨堆栈和队列的本质，并提供相关的模拟实现方法，以便读者充分理解它们的特性和应用场景。

堆栈：后进先出（LIFO）

想象一下你最喜欢的煎饼店，饥肠辘辘的食客排成一队，等待品尝美味的早餐。在这个队伍中，最先进入煎饼店的顾客（最后加入队列的）将是最先享用煎饼的，而最后一个加入队列的顾客（第一个进入煎饼店的）将是最晚离开的。这就是堆栈遵循的后进先出（LIFO）原则。

在堆栈数据结构中，元素被存储在一个线性结构中，并且只允许从堆栈顶（又称栈顶）访问。就像煎饼店里的队伍一样，你只能从栈顶添加或移除元素。这种特性使堆栈非常适合需要这种后进先出行为的场景，例如函数调用和递归算法。

代码示例：用数组模拟堆栈

#include <iostream>

// 定义一个模拟堆栈的数组
int stack[100];
// 指针指向栈顶元素
int top = -1;

// 入栈操作
void push(int data) {
    if (top == 99) {
        std::cout << "栈已满，无法入栈！" << std::endl;
        return;
    }
    stack[++top] = data;
}

// 出栈操作
int pop() {
    if (top == -1) {
        std::cout << "栈已空，无法出栈！" << std::endl;
        return -1;
    }
    return stack[top--];
}

int main() {
    push(1);
    push(2);
    push(3);

    std::cout << "栈顶元素：" << stack[top] << std::endl;

    pop();

    std::cout << "出栈后栈顶元素：" << stack[top] << std::endl;

    return 0;
}

队列：先进先出（FIFO）

回到煎饼店，想象现在改为按先进先出（FIFO）的原则排队。第一位加入队列的顾客（最早进入煎饼店的）将是最先享用煎饼的，而最后加入队列的顾客（最晚进入煎饼店的）将是最晚离开的。这种行为类似于队列数据结构。

在队列中，元素被存储在一个线性结构中，并且只能从队列的一端（队列头）插入元素，而从另一端（队列尾）移除元素。就好像煎饼店里的队伍，你只能从队尾加入队列，从队头离开。这种特性使队列非常适合需要这种先进先出行为的场景，例如打印任务和任务调度。

代码示例：用链表模拟队列

#include <iostream>

// 定义队列节点
struct Node {
    int data;
    Node *next;
};

// 定义队列类
class Queue {
private:
    Node *head, *tail;
public:
    Queue() {
        head = tail = nullptr;
    }

    // 入队操作
    void enqueue(int data) {
        Node *newNode = new Node{data, nullptr};
        if (head == nullptr) {
            head = tail = newNode;
        } else {
            tail->next = newNode;
            tail = newNode;
        }
    }

    // 出队操作
    int dequeue() {
        if (head == nullptr) {
            std::cout << "队列已空，无法出队！" << std::endl;
            return -1;
        }
        int data = head->data;
        head = head->next;
        if (head == nullptr) {
            tail = nullptr;
        }
        return data;
    }

    // 查看队首元素
    int front() {
        if (head == nullptr) {
            std::cout << "队列已空，无法查看队首元素！" << std::endl;
            return -1;
        }
        return head->data;
    }
};

int main() {
    Queue q;
    q.enqueue(1);
    q.enqueue(2);
    q.enqueue(3);

    std::cout << "队首元素：" << q.front() << std::endl;

    q.dequeue();

    std::cout << "出队后队首元素：" << q.front() << std::endl;

    return 0;
}