摘要：
栈和队列是两种基本的数据结构，在计算机科学中有着广泛的应用。本文将围绕Fortran语言，探讨栈与队列数据结构的实现方法，并分析其在不同场景下的应用。
一、
栈（Stack）和队列（Queue）是两种常见的数据结构，它们在计算机科学中扮演着重要的角色。栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，而队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构。在Fortran语言中，我们可以通过数组、指针或模块来实现栈和队列。本文将详细介绍Fortran语言中栈与队列的实现方法，并探讨其在实际应用中的案例。
二、栈的实现
1. 数组实现
在Fortran中，我们可以使用数组来实现栈。以下是一个简单的栈实现示例：
fortran
module stack_module
implicit none
private
public :: stack, push, pop, is_empty, is_full
type stack
integer, allocatable :: elements(:)
integer :: top
integer :: size
end type stack
contains
subroutine stack_init(this, size)
class(stack) :: this
integer, intent(in) :: size
allocate(this%elements(size))
this%top = -1
this%size = size
end subroutine stack_init
subroutine push(this, value)
class(stack) :: this
integer, intent(in) :: value
if (this%top < this%size - 1) then
this%top = this%top + 1
this%elements(this%top) = value
else
print , "Stack is full"
end if
end subroutine push
subroutine pop(this, value)
class(stack) :: this
integer, intent(out) :: value
if (this%top >= 0) then
value = this%elements(this%top)
this%top = this%top - 1
else
print , "Stack is empty"
end if
end subroutine pop
function is_empty(this) result(empty)
class(stack) :: this
logical :: empty
empty = (this%top == -1)
end function is_empty
function is_full(this) result(full)
class(stack) :: this
logical :: full
full = (this%top == this%size - 1)
end function is_full
end module stack_module
2. 指针实现
除了使用数组，我们还可以使用指针来实现栈。以下是一个指针实现的栈示例：
fortran
module stack_module
implicit none
private
public :: stack, push, pop, is_empty, is_full
type stack
integer, pointer :: elements(:)
integer :: top
integer :: size
end type stack
contains
subroutine stack_init(this, size)
class(stack) :: this
integer, intent(in) :: size
allocate(this%elements(size))
this%top = -1
this%size = size
end subroutine stack_init
subroutine push(this, value)
class(stack) :: this
integer, intent(in) :: value
if (this%top < this%size - 1) then
this%top = this%top + 1
this%elements(this%top) = value
else
print , "Stack is full"
end if
end subroutine push
subroutine pop(this, value)
class(stack) :: this
integer, intent(out) :: value
if (this%top >= 0) then
value = this%elements(this%top)
this%top = this%top - 1
else
print , "Stack is empty"
end if
end subroutine pop
function is_empty(this) result(empty)
class(stack) :: this
logical :: empty
empty = (this%top == -1)
end function is_empty
function is_full(this) result(full)
class(stack) :: this
logical :: full
full = (this%top == this%size - 1)
end function is_full
end module stack_module
三、队列的实现
1. 数组实现
在Fortran中，我们可以使用数组来实现队列。以下是一个简单的队列实现示例：
fortran
module queue_module
implicit none
private
public :: queue, enqueue, dequeue, is_empty, is_full
type queue
integer, allocatable :: elements(:)
integer :: front
integer :: rear
integer :: size
end type queue
contains
subroutine queue_init(this, size)
class(queue) :: this
integer, intent(in) :: size
allocate(this%elements(size))
this%front = 0
this%rear = 0
this%size = size
end subroutine queue_init
subroutine enqueue(this, value)
class(queue) :: this
integer, intent(in) :: value
if ((this%rear + 1) % this%size == this%front) then
print , "Queue is full"
else
this%rear = (this%rear + 1) % this%size
this%elements(this%rear) = value
end if
end subroutine enqueue
subroutine dequeue(this, value)
class(queue) :: this
integer, intent(out) :: value
if (this%front == this%rear) then
print , "Queue is empty"
else
value = this%elements(this%front)
this%front = (this%front + 1) % this%size
end if
end subroutine dequeue
function is_empty(this) result(empty)
class(queue) :: this
logical :: empty
empty = (this%front == this%rear)
end function is_empty
function is_full(this) result(full)
class(queue) :: this
logical :: full
full = ((this%rear + 1) % this%size == this%front)
end function is_full
end module queue_module
2. 指针实现
与栈类似，我们也可以使用指针来实现队列。以下是一个指针实现的队列示例：
fortran
module queue_module
implicit none
private
public :: queue, enqueue, dequeue, is_empty, is_full
type queue
integer, pointer :: elements(:)
integer :: front
integer :: rear
integer :: size
end type queue
contains
subroutine queue_init(this, size)
class(queue) :: this
integer, intent(in) :: size
allocate(this%elements(size))
this%front = 0
this%rear = 0
this%size = size
end subroutine queue_init
subroutine enqueue(this, value)
class(queue) :: this
integer, intent(in) :: value
if ((this%rear + 1) % this%size == this%front) then
print , "Queue is full"
else
this%rear = (this%rear + 1) % this%size
this%elements(this%rear) = value
end if
end subroutine enqueue
subroutine dequeue(this, value)
class(queue) :: this
integer, intent(out) :: value
if (this%front == this%rear) then
print , "Queue is empty"
else
value = this%elements(this%front)
this%front = (this%front + 1) % this%size
end if
end subroutine dequeue
function is_empty(this) result(empty)
class(queue) :: this
logical :: empty
empty = (this%front == this%rear)
end function is_empty
function is_full(this) result(full)
class(queue) :: this
logical :: full
full = ((this%rear + 1) % this%size == this%front)
end function is_full
end module queue_module
四、栈与队列的应用
1. 栈的应用
栈在计算机科学中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：
- 函数调用栈：在程序执行过程中，每次调用函数都会将相关信息压入栈中，当函数返回时，相关信息从栈中弹出。
- 表达式求值：在计算表达式时，可以使用栈来存储操作数和运算符，从而实现逆波兰表示法（后缀表示法）。
- 回溯算法：在解决某些问题时，如迷宫求解、N皇后问题等，可以使用栈来记录搜索过程中的路径。
2. 队列的应用
队列在计算机科学中也有着广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：
- 进程调度：在操作系统中，可以使用队列来管理进程的执行顺序。
- 打印队列：在打印文档时，可以使用队列来管理打印任务，确保文档按照提交顺序打印。
- 广度优先搜索（BFS）：在图论中，可以使用队列来实现BFS算法，以广度优先的方式遍历图中的节点。
五、总结
本文介绍了Fortran语言中栈与队列数据结构的实现方法，并分析了其在实际应用中的案例。通过使用数组或指针，我们可以轻松地实现栈和队列，并在各种场景下发挥其作用。在实际编程过程中，合理运用栈与队列可以有效地提高程序的性能和可读性。
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