练习42：栈和队列

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2023-12-01

到现在为止，你已经知道了大多数用于构建其它数据结构的数据结构。如果你拥有一些List、DArray、Hashmap 和 Tree，你就能用他们构造出大多数其它的任何结构。你碰到的其它任何结构要么可以用它们实现，要么是它们的变体。如果不是的话，它可能是外来的数据结构，你可能不需要它。

Stack和Queue是非常简单的数据结构，它们是List的变体。它们是List的弱化或者转换形式，因为你只需要在List的一端放置元素。对于Stack，你只能能够在一段压入和弹出元素。而对于Queue，你只能够在开头压入元素，并在末尾弹出（或者反过来）。

我能够只通过C预处理器和两个头文件来实现这两个数据结构。我的头文件只有21行的长度，并且实现了所有Stack和Queue的操作，不带有任何神奇的定义。

我将会向你展示单元测试，你需要实现头文件来让它们正常工作。你不能创建stack.c 或 queue.c实现文件来通过测试，只能使用stack.h 和 queue.h来使测试运行。

#include "minunit.h"
#include <lcthw/stack.h>
#include <assert.h>

static Stack *stack = NULL;
char *tests[] = {"test1 data", "test2 data", "test3 data"};
#define NUM_TESTS 3


char *test_create()
{
    stack = Stack_create();
    mu_assert(stack != NULL, "Failed to create stack.");

    return NULL;
}

char *test_destroy()
{
    mu_assert(stack != NULL, "Failed to make stack #2");
    Stack_destroy(stack);

    return NULL;
}

char *test_push_pop()
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < NUM_TESTS; i++) {
        Stack_push(stack, tests[i]);
        mu_assert(Stack_peek(stack) == tests[i], "Wrong next value.");
    }

    mu_assert(Stack_count(stack) == NUM_TESTS, "Wrong count on push.");

    STACK_FOREACH(stack, cur) {
        debug("VAL: %s", (char *)cur->value);
    }

    for(i = NUM_TESTS - 1; i >= 0; i--) {
        char *val = Stack_pop(stack);
        mu_assert(val == tests[i], "Wrong value on pop.");
    }

    mu_assert(Stack_count(stack) == 0, "Wrong count after pop.");

    return NULL;
}

char *all_tests() {
    mu_suite_start();

    mu_run_test(test_create);
    mu_run_test(test_push_pop);
    mu_run_test(test_destroy);

    return NULL;
}

RUN_TESTS(all_tests);

之后是queue_tests.c，几乎以相同的方式来使用Queue：

#include "minunit.h"
#include <lcthw/queue.h>
#include <assert.h>

static Queue *queue = NULL;
char *tests[] = {"test1 data", "test2 data", "test3 data"};
#define NUM_TESTS 3


char *test_create()
{
    queue = Queue_create();
    mu_assert(queue != NULL, "Failed to create queue.");

    return NULL;
}

char *test_destroy()
{
    mu_assert(queue != NULL, "Failed to make queue #2");
    Queue_destroy(queue);

    return NULL;
}

char *test_send_recv()
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < NUM_TESTS; i++) {
        Queue_send(queue, tests[i]);
        mu_assert(Queue_peek(queue) == tests[0], "Wrong next value.");
    }

    mu_assert(Queue_count(queue) == NUM_TESTS, "Wrong count on send.");

    QUEUE_FOREACH(queue, cur) {
        debug("VAL: %s", (char *)cur->value);
    }

    for(i = 0; i < NUM_TESTS; i++) {
        char *val = Queue_recv(queue);
        mu_assert(val == tests[i], "Wrong value on recv.");
    }

    mu_assert(Queue_count(queue) == 0, "Wrong count after recv.");

    return NULL;
}

char *all_tests() {
    mu_suite_start();

    mu_run_test(test_create);
    mu_run_test(test_send_recv);
    mu_run_test(test_destroy);

    return NULL;
}

RUN_TESTS(all_tests);

你应该在不修改测试文件的条件下，使单元测试能够运行，并且它应该能够通过valgrind而没有任何内存错误。下面是当我直接运行stack_tests时它的样子：

$ ./tests/stack_tests
DEBUG tests/stack_tests.c:60: ----- RUNNING: ./tests/stack_tests
----
RUNNING: ./tests/stack_tests
DEBUG tests/stack_tests.c:53:
----- test_create
DEBUG tests/stack_tests.c:54:
----- test_push_pop
DEBUG tests/stack_tests.c:37: VAL: test3 data
DEBUG tests/stack_tests.c:37: VAL: test2 data
DEBUG tests/stack_tests.c:37: VAL: test1 data
DEBUG tests/stack_tests.c:55:
----- test_destroy
ALL TESTS PASSED
Tests run: 3
$

queue_test的输出基本一样，所以我在这里就不展示了。

如何改进

你可以做到的唯一真正的改进，就是把所用的List换成DArray。Queue数据结构难以用DArray实现，因为它要同时处理两端的节点。

完全在头文件中来实现它们的缺点，是你并不能够轻易地对它做性能调优。你需要使用这种技巧，建立一种以特定的方式使用List的“协议”。做性能调优时，如果你优化了List，这两种数据结构都会有所改进。

附加题

使用DArray代替List实现Stack，并保持单元测试不变。这意味着你需要创建你自己的STACK_FOREACH。