栈和队列是计算机科学中两种基本的数据结构,它们在程序设计中扮演着重要的角色,特别是一些递归、回溯和有限状态机等问题的解决中。本章节将详细介绍栈和队列的概念、特点以及它们的实现方式。
**栈(Stack)**
1. **定义与特点**:
- 栈是一种特殊的线性表,只允许在一端(栈顶)进行插入(进栈)或删除(出栈)操作,这被称为“后进先出”(LIFO,Last In First Out)原则。栈底是固定不变的,而栈顶随操作动态变化。
- 栈的应用场景包括函数调用栈、表达式求值、括号匹配等,其中元素的添加和移除遵循“先进后出”的规则。
**顺序栈(Array-based Stack)**:
- 顺序栈的实现通常采用一维数组,通过一个栈顶指针(top)来追踪栈的实际位置。初始化时,栈顶指针top为0,表示栈为空。
- 当试图出栈时,如果top等于数组长度M,即栈满,这会导致上溢(overflow)错误。反之,若top为0,表示栈空,出栈时会出现下溢(underflow)错误。
- 具体操作包括:
- 初始化(InitStack):创建一个新的空栈。
- 销毁(DestroyStack)或清空(ClearStack):释放栈所占用的内存。
- 检查栈是否为空(StackEmpty):判断top是否为0。
- 获取栈顶元素(GetTop):访问但不删除栈顶元素。
- 进栈(Push):将元素添加到栈顶,更新top。
- 出栈(Pop):删除并返回栈顶元素,更新top。
**队列(Queue)**
- 队列也是一种线性表,但遵循“先进先出”(FIFO,First In First Out)原则。元素的添加发生在队尾,删除发生在队首。
- 顺序队列和链队列是两种常见的实现方式,但此处仅关注顺序队列的简单介绍。
通过理解和掌握栈和队列的基本概念及操作,可以有效地在编程中运用它们解决各种问题,如任务调度、消息传递、广度优先搜索等。熟练地实现栈和队列的数据结构,是软件工程师必备的数据结构技能之一。