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数据结构实验指导书(C++)-栈、队列、串的操作

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数据结构实验指导书(C++)-栈、队列、串的操作

摘要：本文以C++编程语言为基础，针对数据结构中的栈、队列、串三种基本数据结构进行了实验指导。详细介绍了这三种数据结构的定义、实现以及操作方法。首先，对栈和队列的基本操作进行了详细阐述，包括入栈、出栈、入队、出队等操作。接着，对串的定义、实现以及操作进行了深入探讨，包括串的连接、子串的提取、串的长度计算等。最后，通过实际案例分析了这三种数据结构在实际应用中的优势和不足，为读者提供了实际操作的指导。本文共计6000字，内容丰富，结构清晰，具有一定的实用价值。

数据结构是计算机科学中一门重要的学科，它研究数据的存储、组织、检索和操作方法。在计算机科学和软件工程中，数据结构是实现算法和解决实际问题的基础。本文以栈、队列、串三种基本数据结构为研究对象，通过实验指导的方式，深入探讨这三种数据结构的定义、实现和操作方法。随着计算机技术的飞速发展，数据结构在各个领域得到了广泛的应用，掌握这三种数据结构对于提高计算机编程能力和解决实际问题具有重要意义。本文旨在为读者提供一种简单易懂、易于操作的数据结构实验指导，以帮助读者更好地理解和应用这三种数据结构。

第一章栈的基本概念与操作

1.1栈的定义与特点

(1)栈（Stack）是一种先进后出（LastInFirstOut，LIFO）的数据结构，它遵循的原则是后进先出。在栈中，元素只能从一端进行插入或删除操作，这一端被称为栈顶（Top），而另一端被称为栈底（Bottom）。栈在实际应用中具有广泛的应用场景，如表达式求值、函数调用、递归算法实现等。例如，在计算数学表达式时，我们需要处理括号和运算符的优先级，这时可以使用栈来存储括号内的运算符和结果，直到整个表达式被正确解析。

(2)栈的特点主要包括两个方面：一是元素的插入和删除操作都只发生在栈顶，二是栈具有线性结构。线性结构意味着栈中的元素之间存在一对一的线性关系，即除了栈顶元素外，每个元素都有一个直接的前驱和后继元素。这种结构使得栈的操作非常简单，只需关注栈顶元素即可。在实际应用中，栈的这种特性使得它非常适合处理具有顺序性的数据，例如，在函数调用时，每次调用都会将当前函数的上下文信息（如局部变量、返回地址等）压入栈中，而函数返回时则从栈中弹出这些信息，恢复到调用前的状态。

(3)栈的存储方式主要有两种：顺序存储和链式存储。顺序存储方式通常使用数组来实现，它具有空间利用率高、访问速度快等优点。在顺序存储的栈中，当栈满时，无法再进行入栈操作；而当栈空时，无法进行出栈操作。链式存储方式则使用链表来实现，它具有插入和删除操作灵活、空间利用率高等特点。在链式存储的栈中，栈顶元素可以随时插入和删除，不受栈大小的限制。例如，在C++中，可以使用std::vector来实现顺序存储的栈，而使用std::list可以实现链式存储的栈。

1.2栈的存储结构

(1)栈的存储结构主要分为两种：顺序存储结构和链式存储结构。顺序存储结构使用数组来实现，它通过连续的内存空间来存储栈中的元素。在这种结构中，栈顶指针（TopPointer）指向栈顶元素，而栈底指针（BottomPointer）通常设为指向数组的第一个元素。栈顶指针的初始值设为数组的最后一个元素的索引，即栈满时指针指向-1。例如，一个可以存储100个元素的栈，其栈顶指针初始值为99。当栈进行入栈操作时，如果栈未满，则栈顶指针减一，将新元素插入到栈顶；出栈操作时，栈顶指针加一，取出栈顶元素。

(2)链式存储结构使用链表来实现，它由一系列节点组成，每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。在链式存储的栈中，栈顶节点始终指向栈顶元素，栈底节点为NULL。链式栈的优点是动态性强，栈的大小可以根据需要动态扩展。当栈满时，只需在链表末尾添加新的节点即可。在C++中，可以使用std::list或自定义链表来实现链式栈。例如，在实现一个链式栈时，每次入栈操作只需创建一个新节点，并将其插入到链表的头部，而出栈操作则是删除链表的头部节点。

(3)顺序存储结构的栈在实际应用中较为常见，特别是在需要快速访问栈顶元素的场景下。然而，顺序存储的栈存在一个局限性，即栈的大小是固定的，一旦栈满，无法进行入栈操作。为了解决这个问题，可以采用动态扩容的数组来实现顺序存储的栈。例如，在C++中，可以使用std::vector来实现这种动态扩容的顺序栈。每次栈满时，vector会自动分配一个新的更大的数组，并将原有元素复制到新数组中，从而实现栈的动态扩容。这种方法可