数据结构实验三——栈和队列的基本操作

一、实验内容

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1.实验目的

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1. 编程实现顺序栈和链栈的基本操作：建栈，取栈顶元素，入栈，出栈；
2. 编程实现循环队列和链队列的基本操作：建队列，取队头元素，入队，出队。

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2. 基本要求

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1. 掌握栈的顺序存储结构、链式存储结构及其基本操作；
2. 掌握队列的顺序存储结构、链式存储结构及其基本操作。

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3. 支撑的课程目标

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本实验项目可以支撑“目标1. 理解数据结构的基本概念、计算机内部数据对象的表示和特性。掌握线性表、树、图等数据逻辑结构、存储结构及其差异以及各种操作的实现。”、和“目标2能够针对实际问题选择合适的数据结构和方法设计出结构清晰、正确易读、复杂性较优的算法，同时掌握对算法进行时间、空间复杂度分析的基本技能。”。
本实验通过验证方式引导学生掌握顺序栈和链栈的基本操作，循环队列和链队列的基本 操作，为后续学习打下基础，以便更好地达成后续更高层次的课程目标。

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二、实验过程

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1. 顺序栈的建栈、入栈、出栈、取栈顶元素

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/*
*title:顺序栈的基本操作
*writer:weiyuexin
*data:2020-10-11
*/

#include<iostream>

using namespace std;

#define SElemType int

typedef struct{
    
    
    SElemType *base;    //定义栈底指针
    SElemType *top;     //定义栈顶指针
    int stacksize;
}SqStack;

void InitStack(SqStack &S,int maxsize){
    
        //初始化栈
    S.base = new SElemType[maxsize];
    if(!S.base){
    
    
        cout<<"创建栈失败!"<<endl;
    }
    S.top = S.base;     //top初始化为base,是空栈
    S.stacksize = maxsize;
    cout<<"成功创建了一个最大容量为"<<S.stacksize<<"的顺序栈!"<<endl;
}

void Display(SqStack S){
    
         //打印顺序栈
    cout<<"该顺序栈为:"<<endl;
    cout<<"栈底=>";
    for(int i=0;i<S.stacksize;i++){
    
    
        cout<<*S.base++<<" ";
        if(!*S.base || S.top == S.base){
    
    
            break;
        }
    }
    cout<<"<=栈顶"<<endl;
}

void Push(SqStack &S,SElemType e){
    
        //入栈
    if(S.top - S.base == S.stacksize){
    
    
        cout<<"栈已满，无法插入!"<<endl;
        return;
    }
    *S.top++=e;
}

SElemType Pop(SqStack &S){
    
        //出栈
    if(S.top == S.base){
    
    
        cout<<"栈空!"<<endl;
    }
    SElemType e;
    e = *--S.top;
    cout<<e<<" ";
}

SElemType GetTop(SqStack S){
    
    
    if(S.top != S.base){
    
    
        return *(S.top-1);
    }
}

int main(){
    
    
    SqStack S;
    int maxsize;
    cout<<"实验3_1-------------------顺序栈的基本操作"<<endl<<endl;
    cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
    cout<<"1------------------建栈"<<endl;
    cout<<"2------------------入栈"<<endl;
    cout<<"3------------------出栈"<<endl;
    cout<<"4------------------打印顺序栈"<<endl;
    cout<<"5------------------取栈顶元素"<<endl;
    cout<<"0------------------结束程序运行"<<endl;
    int operation;
    while(cin>>operation){
    
    

        switch(operation){
    
    
        case 0 :
            cout<<"程序运行结束!"<<endl;
            return 0;
            break;
        case 1 :
            cout<<"请输入栈的最大容量:"<<endl;
            cin>>maxsize;
            InitStack(S,maxsize);
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        case 2 :
            cout<<"请输入数据元素,当输入-1时结束:"<<endl;
            int e;
            while(cin>>e){
    
    
                if(e == -1){
    
    
                    break;
                }
                Push(S,e);
            }
            cout<<"入栈成功!"<<endl;
            Display(S);
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        case 3 :
            cout<<"请输入出栈元素的个数:"<<endl;
            int m;
            cin>>m;
            cout<<"出栈的元素为:"<<endl;
            for(int i= 0;i<m;i++){
    
    
                Pop(S);
            }
            cout<<"(先出->后出)"<<endl;
            Display(S);
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        case 4 :
            Display(S);
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        case 5 :
            cout<<"栈顶元素为: "<<GetTop(S)<<endl;
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        default :
            cout<<"您选择的操作不存在，请重新选择:"<<endl;
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        }
    }
    return 0;
}

1. 链栈的建栈、入栈、出栈、及取栈顶元素

/*
*title:链栈的基本操作
*writer:weiyuexin
*data:2020-10-11
*/

#include<iostream>

using namespace std;

#define ElemType int

typedef struct StackNode{
    
    
    ElemType data;
    struct StackNode *next;
}StackNode,*LinkStack;

void InitStack(LinkStack &S){
    
         //初始化链栈
    S = NULL;
    cout<<"栈S初始化成功!"<<endl;
}

void Display(LinkStack S){
    
    
    LinkStack p = S;
    cout<<"该链栈为:"<<endl;
    cout<<"栈顶=> ";
    while(p){
    
    
        cout<<p->data<<" ";
        p = p->next;
    }
    cout<<" <=栈底"<<endl;
}

ElemType Pop(LinkStack &S,ElemType ee){
    
    
    if(S == NULL){
    
    
        cout<<"栈已空，无法在进行删除操作!"<<endl;
        return 0;
    }
    StackNode *p = new StackNode();
    ee = S->data;
    p = S;
    S = S->next;
    delete p;
    return ee;
}

void Push(LinkStack &S,ElemType e){
    
         //入栈
    StackNode *p = new StackNode();
    p ->data = e;
    p ->next = S;
    S = p;
}

int main(){
    
    
    LinkStack S;

    cout<<"实验3_2-------------------链栈的基本操作"<<endl<<endl;
    cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
    cout<<"1------------------初始化链栈"<<endl;
    cout<<"2------------------入栈"<<endl;
    cout<<"3------------------出栈"<<endl;
    cout<<"4------------------打印链栈"<<endl;
    cout<<"5------------------取栈顶元素"<<endl;
    cout<<"0------------------结束程序运行"<<endl;
    int operation;
    while(cin>>operation){
    
    

        switch(operation){
    
    
        case 0 :
            cout<<"程序运行结束!"<<endl;
            return 0;
            break;
        case 1 :
            InitStack(S);
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        case 2 :
            cout<<"请输入数据元素,当输入-1时结束:"<<endl;
            ElemType e;
            while(cin>>e){
    
    
                if(e == -1){
    
    
                    break;
                }
                Push(S,e);
            }
            cout<<"入栈成功!"<<endl;
            Display(S);
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        case 3 :
            cout<<"请输入出栈元素的个数:"<<endl;
            int n;
            cin>>n;
            cout<<"出栈的元素依次为: ";
            for(int i=0;i<n;i++){
    
    
                ElemType ee;
                cout<<Pop(S,ee)<<" ";
            }
            cout<<endl;
            Display(S);
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        case 4 :
            Display(S);
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        case 5 :
            cout<<"栈顶元素为:"<<S->data<<endl;
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        default :
            cout<<"您选择的操作不存在，请重新选择:"<<endl;
            cout<<"请输入对应数字选择操作："<<endl;
            break;
        }
    }
    return 0;
}

---

3.循环队列的建立、入队、出队及取队头元素

---

/*
*title: 循环队列的基本操作
*writer:weiyuexin
*data:2020-10-11
*/

#include<iostream>

using namespace std;

#define MAXSIZE 100
#define QElemType int

typedef struct{
    
    
    QElemType *base;     //存储空间基地址
    int front;    //头指针
    int rear;     //尾指针
}SqQueue;

void InitQueue(SqQueue &Q){
    
            //初始化循环队列
    Q.base = new QElemType[MAXSIZE];
    if(!Q.base){
    
    
        cout<<"队列初始化失败!"<<endl;
        return;
    }
    Q.front = Q.rear = 0;
    cout<<"循环队列初始化成功!"<<endl;
}

void EnQueue(SqQueue &Q,QElemType e){
    
        //入队
    if((Q.rear + 1)%MAXSIZE == Q.front){
    
    
        cout<<"该队列已满无法插入!"<<endl;
        return;
    }
    Q.base[Q.rear] = e;    //新元素插入对尾
    Q.rear = (Q.rear + 1)%MAXSIZE;      //队尾指针加一
}

QElemType DeQueue(SqQueue &Q,QElemType &ee){
    
    
    if(Q.front == Q.rear){
    
    
        cout<<"该循环队列已空!"<<endl;
        return 0;
    }
    ee = Q.base[Q.front];   //保存队首指针
    Q.front = (Q.front + 1)%MAXSIZE;    //队首指针加一
    return ee;
}

void Display(SqQueue Q){
    
         //打印循环队列
    cout<<"该循环队列为: "<<endl;
    cout<<"队首=>";
    for(int i=Q.front;i<MAXSIZE;i++){
    
    
        if(!Q.base[i]){
    
    
            break;
        }
        cout<<Q.base[i]<<" ";
    }
    cout<<"<=队尾"<<endl;
}

QElemType GetHead(SqQueue Q){
    
       //去队首元素
    if(Q.front != Q.rear){
    
       //队列非空
        return Q.base[Q.front];
    }else{
    
    
        cout<<"队列中没有元素!"<<endl;
        return 0;
    }
}

int QueueLength(SqQueue Q){
    
       //求队列的长度
    return (Q.rear - Q.front +MAXSIZE)%MAXSIZE;
}


int main(){
    
    
    SqQueue Q;
    cout<<"实验3_3---------------------循环队列的基本操作"<<endl<<endl;
    cout<<"请输入对应数字选择您想要的操作:"<<endl;
    cout<<"1----------------建立循环队列"<<endl;
    cout<<"2----------------入队"<<endl;
    cout<<"3----------------出队"<<endl;
    cout<<"4----------------取队头元素"<<endl;
    cout<<"5----------------打印循环队列"<<endl;
    cout<<"6----------------求队列长度"<<endl;
    cout<<"0----------------结束程序"<<endl;

    int operation;
    while(cin>>operation){
    
    
        switch(operation){
    
    
        case 0 :
            cout<<"程序运行结束!"<<endl;
            return 0;
            break;
        case 1 :
            InitQueue(Q);   //初始化队列
            cout<<"请输入对应数字选择您想要的操作:"<<endl;
            break;
        case 2 :
            int e;
            cout<<"请输入想要入队的元素，以-1为截止符:"<<endl;
            while(cin>>e){
    
    
                if(e == -1){
    
    
                    break;
                }
                EnQueue(Q,e);
            }
            cout<<"入队成功!"<<endl;
            Display(Q);
            cout<<"请输入对应数字选择您想要的操作:"<<endl;
            break;
        case 3 :
            cout<<"请输入想要出队的元素个数:"<<endl;
            int n;
            cin>>n;
            cout<<"出队的元素依次为: ";
            for(int i=0;i<n;i++){
    
    
                QElemType ee;
                cout<<DeQueue(Q,ee)<<" ";
            }
            cout<<endl;
            Display(Q);
            cout<<"请输入对应数字选择您想要的操作:"<<endl;
            break;
        case 4 :
            cout<<"队首元素为:"<<GetHead(Q)<<endl;
            cout<<"请输入对应数字选择您想要的操作:"<<endl;
            break;
        case 5 :
            Display(Q);
            cout<<"请输入对应数字选择您想要的操作:"<<endl;
            break;
        case 6 :
            cout<<"该循环链表的长度为:"<<QueueLength(Q)<<endl;    //求队列长度
            cout<<"请输入对应数字选择您想要的操作:"<<endl;
            break;
        default :
            cout<<"您选择的操作不存在，请重新选择:"<<endl;
            break;
        }
    }
    return 0;
}

4.链队的创建、入队、出队及取队头元素

/*
*title:链队的基本操作
*writer:weiyuexin
*data:2020-10-11
*/

#include<iostream>

using namespace std;

#define QElemType int

typedef struct QNode{
    
    
    QElemType data;
    struct QNode *next;
}QNode,*QueuePtr;

typedef struct{
    
    
    QueuePtr front;     //队头指针
    QueuePtr rear;     //队尾指针
}LinkQueue;

void InitQueue(LinkQueue &Q){
    
         //初始化链队
    Q.front = Q.rear = new QNode;        //生成新结点作为头结点，队头和队尾指针指向此节点
    Q.front->next = NULL;     //头结点的指针域置空
    cout<<"链队初始化成功!"<<endl;
}

void EnQueue(LinkQueue &Q,QElemType e){
    
         //入队
    QNode *p = new QNode();
    p->data = e;
    p->next = NULL;
    Q.rear->next = p;
    Q.rear = p;
}

QElemType DeQueue(LinkQueue &Q){
    
          //出队
    if(Q.front == Q.rear){
    
    
        cout<<"该链队已空!"<<endl;
         return 0;
    }
    QElemType e;
    QNode *p = new QNode();
    p = Q.front->next;
    e = p->data;
    Q.front->next = p->next;
    if(Q.rear == p){
    
    
        Q.rear = Q.front;
    }
    delete p;
    return e;
}

QElemType GetHead(LinkQueue Q){
    
            //取队首值
    if(Q.front != Q.rear){
    
         //队列非空
        return Q.front->next->data;     //返回队首值
    }else{
    
    
       cout<<"该链队为空！"<<endl;
       return 0;
    }
}

void Display(LinkQueue Q){
    
          //打印链队元素
    QNode *p = new QNode();
    p = Q.front->next;
    cout<<"该链队为: 队首=> ";
    while(p != NULL){
    
    
        cout<<p->data<<" ";
        p = p->next;
    }
    cout<<"<=队尾"<<endl;
}

int main(){
    
    
    LinkQueue Q;
    cout<<"实验3_4---------------------链队列的基本操作"<<endl<<endl;
    cout<<"请输入对应数字选择您想要的操作:"<<endl;
    cout<<"1----------------建立链队列"<<endl;
    cout<<"2----------------入队"<<endl;
    cout<<"3----------------出队"<<endl;
    cout<<"4----------------取队头元素"<<endl;
    cout<<"5----------------打印链队列"<<endl;
    cout<<"0----------------结束程序"<<endl;
    int operation;
    cout<<"请输入对应的数字选择你想要进行的操作:"<<endl;
    while(cin>>operation){
    
    
        switch(operation){
    
    
        case 0 :
            cout<<"程序运行结束!"<<endl;
            return 0;
        case 1 :
            InitQueue(Q);
            cout<<"请输入对应的数字选择您想要进行的操作:"<<endl;
            break;
        case 2 :
            cout<<"请输入要入队的元素个数；"<<endl;
            int n;
            cin>>n;
            cout<<"请输入要入队的元素:"<<endl;
            for(int i=0;i<n;i++){
    
    
                QElemType e;
                cin>>e;
                EnQueue(Q,e);
            }
            cout<<n<<"个元素入队成功!"<<endl;
            Display(Q);
            cout<<"请输入对应的数字选择您想要进行的操作:"<<endl;
            break;
        case 3 :
            cout<<"请输入要出栈的元素的个数:"<<endl;
            int m;
            cin>>m;
            cout<<"出栈的元素依次为: ";
            for(int i=0;i<m;i++){
    
    
                cout<<DeQueue(Q)<<" ";
            }
            cout<<endl;
            Display(Q);
            cout<<"请输入对应的数字选择您想要进行的操作:"<<endl;
            break;
        case 4 :
            cout<<"该链队队首值为: "<<GetHead(Q)<<endl;
            cout<<"请输入对应的数字选择您想要进行的操作:"<<endl;
            break;
        case 5 :
            Display(Q);
            cout<<"请输入对应的数字选择您想要进行的操作:"<<endl;
            break;
        default :
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