前言：
本篇博客讲解有关栈及队列的习题：有效的括号、用队列实现栈、用栈实现队列、设计循环队列。

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1. 有效的括号

题目链接：Leetcode 20. 有效的括号

题目介绍
给定一个只包括 ‘(’，‘)’，‘{’，‘}’，‘[’，‘]’ 的字符串 s ，判断字符串是否有效。
有效字符串需满足：
1.左括号必须用相同类型的右括号闭合。
2.左括号必须以正确的顺序闭合。
3.每个右括号都有一个对应的相同类型的左括号。
示例 1：
输入：s = “()”
输出：true
示例 2：
输入：s = “()[]{}”
输出：true
示例 3：
输入：s = “(]”
输出：false

这是一个典型的括号匹配问题，可以使用栈来解决。基本思路如下：

1. 遍历字符串，对于每个字符：

   • 如果是左括号（‘(’，‘{’，‘[’），将其压入栈。
   • 如果是右括号（‘)’，‘}’，‘]’），则判断栈是否为空。
     • 如果栈为空，说明没有匹配的左括号，返回 false。
     • 如果栈不为空，弹出栈顶元素，并判断是否和当前右括号匹配。
       • 如果匹配，继续遍历下一个字符。
       • 如果不匹配，返回 false。

2. 遍历完字符串后，检查栈是否为空。

   • 如果栈为空，说明所有括号都匹配，返回 true。
   • 如果栈不为空，说明有左括号没有匹配，返回 false。

代码实现：

// 定义栈元素的数据类型
typedef int STDataType;// 定义栈结构体
typedef struct Stack {STDataType* a;   // 存储栈元素的数组int top;         // 标识栈顶int capacity;    // 容量
} ST;// 初始化栈
void StackInit(ST* pst) {assert(pst);pst->a = NULL;pst->capacity = 0;pst->top = 0; // 指向栈顶下一个元素
}// 销毁栈
void StackDestroy(ST* pst) {assert(pst);free(pst->a);
}// 入栈
void StackPush(ST* pst, STDataType x) {assert(pst);// 如果栈满，进行动态扩容if (pst->top == pst->capacity) {int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : 2 * pst->capacity;STDataType* temp = realloc(pst->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);if (temp == NULL) {perror("realloc fail");return;}pst->a = temp;pst->capacity = newcapacity;}pst->a[pst->top] = x;pst->top++;
}// 出栈
void StackPop(ST* pst) {assert(pst);// 栈不为空assert(pst->top > 0);pst->top--;
}// 获取栈顶元素
STDataType StackTop(ST* pst) {assert(pst);// 栈不为空assert(pst->top > 0);return pst->a[pst->top - 1];
}// 判断栈是否为空
bool StackEmpty(ST* pst) {assert(pst);return pst->top == 0;
}// 判断给定字符串是否是有效的括号组合
bool isValid(char* s) {ST st;StackInit(&st);// 遍历字符串while (*s) {if (*s == '[' || *s == '(' || *s == '{') {// 左括号入栈StackPush(&st, *s);} else {// 右括号处理// 如果栈为空，说明右括号多于左括号，返回 falseif (StackEmpty(&st)) {StackDestroy(&st);return false;}char top = StackTop(&st);StackPop(&st);// 判断右括号和栈顶左括号是否匹配if ((*s == ']' && top != '[') ||(*s == ')' && top != '(') ||(*s == '}' && top != '{')) {StackDestroy(&st);return false;}}++s;}// 栈为空，说明左括号多于右括号，返回 truebool ret = StackEmpty(&st);StackDestroy(&st);return ret;
}

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2. 用队列实现栈

题目链接：225. 用队列实现栈

题目描述：
请你仅使用两个队列实现一个后入先出（LIFO）的栈，并支持普通栈的全部四种操作（push、top、pop 和 empty）。
实现 MyStack 类：
1.void push(int x) 将元素 x 压入栈顶。
2.int pop() 移除并返回栈顶元素。
3.int top() 返回栈顶元素。
4.boolean empty() 如果栈是空的，返回 true ；否则，返回 false 。
注意：
你只能使用队列的基本操作 —— 也就是 push to back、peek/pop from front、size 和 is empty 这些操作。

两个队列之间进行元素的转移，以模拟栈的后进先出（LIFO）特性。基本思路：

1. 使用两个队列，分别称为queue1和queue2。

2. 当需要push一个元素时，将其加入非空的队列（假设初始时选择queue1）。

3. 当需要pop一个元素时，将非空队列的前n-1个元素出队并入队到另一个空队列，然后将剩余的最后一个元素出队（即模拟栈的pop操作）。

4. 将队列互换，使得新的非空队列成为主队列。

   
   代码实现：

// 定义队列中元素的数据类型
typedef int QDataType;// 节点结构体，表示队列中的每个元素
typedef struct QueueNode {QDataType val;           // 元素的值struct QueueNode* next;  // 指向下一个节点的指针
} QNode;// 队列结构体，包含队头、队尾和元素数量信息
typedef struct Queue {QNode* phead;  // 队头节点QNode* ptail;  // 队尾节点int size;      // 元素长度
} Queue;// 初始化队列，设置队头、队尾为NULL，元素数量为0
void QueueInit(Queue* pq) {assert(pq);pq->phead = pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}// 销毁队列，释放队列中每个节点的内存
void QueueDestroy(Queue* pq) {assert(pq);QNode* cur = pq->phead;while (cur) {QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}// 入队操作，将元素加入队尾
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x) {assert(pq);// 创建新节点QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL) {perror("malloc fail");return;}// 设置节点值和指针newnode->val = x;newnode->next = NULL;// 判断队列是否为空，如果是，将队头和队尾都设置为新节点if (pq->ptail == NULL) {pq->ptail = pq->phead = newnode;} else {// 否则，将新节点连接到队尾，并更新队尾指针pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}// 更新元素数量pq->size++;
}// 出队操作，删除队头元素
void QueuePop(Queue* pq) {assert(pq->phead);assert(pq);// 记录需要删除的节点QNode* del = pq->phead;// 更新队头指针pq->phead = pq->phead->next;// 释放节点内存free(del);del = NULL;// 如果队头为空，表示队列已空，更新队尾指针if (pq->phead == NULL)pq->ptail = NULL;// 更新元素数量pq->size--;
}// 获取队头元素的值
QDataType QueueFront(Queue* pq) {assert(pq);assert(pq->phead);return pq->phead->val;
}// 获取队尾元素的值
QDataType QueueBack(Queue* pq) {assert(pq);assert(pq->ptail);return pq->ptail->val;
}// 判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq) {assert(pq);return pq->phead == NULL;
}// 获取队列的元素数量
int QueueSize(Queue* pq) {assert(pq);return pq->size;
}// 定义MyStack结构体，包含两个队列
typedef struct {Queue q1;Queue q2;
} MyStack;// 创建并初始化MyStack结构体，内部调用QueueInit初始化两个队列
MyStack* myStackCreate() {MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));QueueInit(&pst->q1);QueueInit(&pst->q2);return pst;
}// 入栈操作，将元素加入非空队列
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {if (!QueueEmpty(&obj->q1)) {QueuePush(&obj->q1, x);} else {QueuePush(&obj->q2, x);}
}// 出栈操作，模拟栈的pop操作
int myStackPop(MyStack* obj) {// 选择非空队列为需要操作的队列，将元素转移到另一队列，直到只剩一个元素Queue* emptyq = &obj->q1;Queue* nonemptyq = &obj->q2;if (!QueueEmpty(&obj->q1)) {emptyq = &obj->q2;nonemptyq = &obj->q1;}while (QueueSize(nonemptyq) > 1) {QueuePush(emptyq, QueueFront(nonemptyq));QueuePop(nonemptyq);}// 获取并删除最后一个元素，模拟栈的pop操作int top = QueueFront(nonemptyq);QueuePop(nonemptyq);return top;
}// 获取栈顶元素的值
int myStackTop(MyStack* obj) {if (!QueueEmpty(&obj->q1)) {return QueueBack(&obj->q1);} else {return QueueBack(&obj->q2);}
}// 判断栈是否为空
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}// 释放MyStack结构体和两个队列的内存
void myStackFree(MyStack* obj) {QueueDestroy(&obj->q1);QueueDestroy(&obj->q2);free(obj);
}

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3. 用栈是实现队列

题目链接：Leetcode 232.用栈实现队列

题目描述：
请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作（push、pop、peek、empty）：
实现 MyQueue 类：
1.void push(int x) 将元素 x 推到队列的末尾
2.int pop() 从队列的开头移除并返回元素
3.int peek() 返回队列开头的元素
4.boolean empty() 如果队列为空，返回 true ；否则，返回 false

用两个栈来实现队列的基本思路：

1. 两个栈： 使用两个栈，一个用于入队（push操作），另一个用于出队（pop操作）。

2. 入队操作： 将元素压入入队栈中。这样，最新的元素会始终位于栈顶，而最早加入的元素则位于栈底。

3. 出队操作： 如果出队栈不为空，直接从出队栈弹出元素；否则，将入队栈的元素逐个弹出并压入出队栈，然后从出队栈弹出元素。这确保了队列的先进先出特性。
   
   代码实现：

typedef int STDataType;typedef struct Stack {STDataType* a;   // 栈数组int top;         // 标识栈顶int capacity;    // 容量
} ST;// 栈的初始化
void StackInit(ST* pst) {assert(pst);pst->a = NULL;pst->capacity = 0;pst->top = 0;  // 指向栈顶下一个元素
}// 栈的销毁
void StackDestroy(ST* pst) {assert(pst);free(pst->a);
}// 入栈操作
void StackPush(ST* pst, STDataType x) {assert(pst);if (pst->top == pst->capacity) {int newcapacity = pst->capacity == 0 ? 4 : 2 * pst->capacity;STDataType* temp = realloc(pst->a, sizeof(STDataType) * newcapacity);if (temp == NULL) {perror("realloc fail");return;}pst->a = temp;pst->capacity = newcapacity;}pst->a[pst->top] = x;pst->top++;
}// 出栈操作
void StackPop(ST* pst) {assert(pst);// 不为空assert(pst->top > 0);pst->top--;
}// 获取栈顶元素
STDataType StackTop(ST* pst) {assert(pst);// 不为空assert(pst->top > 0);return pst->a[pst->top - 1];
}// 判断栈是否为空
bool StackEmpty(ST* pst) {assert(pst);return pst->top == 0;
}// 获取栈的大小
int StackSize(ST* pst) {assert(pst);return pst->top;
}// 队列结构
typedef struct {ST pushst;  // 入队栈ST popst;   // 出队栈
} MyQueue;// 创建一个新的队列
MyQueue* myQueueCreate() {MyQueue* obj = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));if (obj != NULL) {StackInit(&obj->pushst);StackInit(&obj->popst);}return obj;
}// 将元素入队
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {StackPush(&obj->pushst, x);
}// 查看队头元素
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {// popst为空，StackEmpty(&obj->popst)为真// popst不为空，直接执行return StackPop(&obj->popst);if (StackEmpty(&obj->popst)) {// pushst若不为空，将pushst中数据推入popst中while (!StackEmpty(&obj->pushst)) {StackPush(&obj->popst, StackTop(&obj->pushst));StackPop(&obj->pushst);}}return StackTop(&obj->popst);
}// 出队操作
int myQueuePop(MyQueue* obj) {STDataType front = myQueuePeek(obj);StackPop(&obj->popst);return front;
}// 判断队列是否为空
bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {return StackEmpty(&obj->pushst) && StackEmpty(&obj->popst);
}// 释放队列内存
void myQueueFree(MyQueue* obj) {StackDestroy(&obj->pushst);StackDestroy(&obj->popst);free(obj);
}

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4. 设计循环队列

题目链接：Leetcode 622. 设计循环队列

题目描述：
设计你的循环队列实现。 循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。
循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。
你的实现应该支持如下操作：
1.MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。
2.Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
3.Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
4.enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
5.deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
6.isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
7.isFull(): 检查循环队列是否已满。
示例：
MyCircularQueue circularQueue = new MyCircularQueue(3); // 设置长度为 3
circularQueue.enQueue(1); // 返回 true
circularQueue.enQueue(2); // 返回 true
circularQueue.enQueue(3); // 返回 true
circularQueue.enQueue(4); // 返回 false，队列已满
circularQueue.Rear(); // 返回 3
circularQueue.isFull(); // 返回 true
circularQueue.deQueue(); // 返回 true
circularQueue.enQueue(4); // 返回 true
circularQueue.Rear(); // 返回 4

基本思路：
在实现循环队列时，我们选择数组来实现。相对于循环链表，数组实现循环队列更加容易访问数据，且在空间上连续。

代码实现：

// 定义循环队列的结构体
typedef struct {int* a;     // 用于存储队列元素的数组int front;   // 指向队列头部int back;    // 指向队列尾部的下一位int k;       // 队列的容量
} MyCircularQueue;// 创建循环队列并初始化
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {// 分配内存并初始化结构体成员MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));obj->a = (int*)malloc(sizeof(int) * (k + 1)); // 长度为 k+1，避免判满和判空时的歧义obj->front = 0;obj->back = 0;obj->k = k;return obj;
}// 判断循环队列是否为空
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {return obj->back == obj->front;
}// 获取循环队列尾部元素
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {if (myCircularQueueIsEmpty(obj)) {return -1; // 队列为空，返回特定值表示错误} else {return obj->a[(obj->back + obj->k) % (obj->k + 1)]; // 利用取模操作实现循环}
}// 判断循环队列是否已满
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {return (obj->back + 1) % (obj->k + 1) == obj->front; // 利用取模操作实现循环
}// 入队操作
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {if (myCircularQueueIsFull(obj)) {return false; // 队列已满，无法入队}obj->a[obj->back] = value; // 将元素存储在队尾++obj->back; // 尾指针后移obj->back %= (obj->k + 1); // 利用取模操作实现循环return true;
}// 出队操作
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {if (myCircularQueueIsEmpty(obj)) {return false; // 队列为空，无法出队}++obj->front; // 头指针后移obj->front %= (obj->k + 1); // 利用取模操作实现循环return true;
}// 获取循环队列头部元素
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {if (myCircularQueueIsEmpty(obj)) {return -1; // 队列为空，返回特定值表示错误}return obj->a[obj->front]; // 返回队头元素
}// 释放循环队列的内存
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {free(obj->a);free(obj);
}

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