1. 队列的概念及结构

队列:只允许在一端进行插入数据操作,在另一端进行删除操作的特殊线性表,队列具有先进先出(FIFO)的特性.
进行插入操作的一端称为队尾;进行删除操作的一端叫做队头

在这里插入图片描述

队列应用于

解决公平性排队(抽号机)
广度优先遍历(BFS)

2. 队列的定义

和栈一样,队列也可以使用两种物理结构进行存储:数组存储和链表存储
但是更推荐使用链表进行实现,链表尾插头删,相比于数组尾插头删所消耗的时间要小很多

注: 如果实现循环队列,更推荐使用数组

单链表实现队列的头删尾插图示:
队列的链式实现

typedef int QDataType;// 链式结构表示队列
typedef struct QListNode
{struct QListNode* next;QDataType data;
}QNode;// 队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* front;    //指向队列头QNode* rear;     //指向队列尾int size;        //记录队列的元素个数
}Queue;

队列的每个结点使用链表结点
同时,在单链表的基础上,队列还多加了两个指针指向头尾,方便使用 $O (1)$ 的时间复杂度找到队列的头和尾,进行头删尾插

队列相关接口函数

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* q, QDataType x);
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* q);
// 检测队列是否为空, 如果为空返回非零结果, 如果非空返回0
int QueueEmpty(Queue* q);
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q);

3. 队列的实现

3.1 初始化队列 (QueueInit)

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q)
{assert(q);  //确保q合法q->front = q->rear = NULL;  //将头和为置为 NULL q->size = 0;
}

首先确保 q 合法
将队列中的成员变量初始化, 头尾指针置为 NULL, 队列的大小置为 0

3.2 队尾入队列 (QueuePush)

void QueuePush(Queue* q, QDataType x)
{assert(q);  //确保q合法//创建新结点QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));newNode->data = x;newNode->next = NULL;//入队列if (QueueEmpty(q)){//如果队列为空,直接赋值q->front = q->rear = newNode;}else {//如果队列不为空,直接尾插q->rear->next = newNode;q->rear = newNode;}q->size++;
}

首先确保 q 合法
创建新结点
进行队列的尾插,分为两种情况:队列为空的时候直接赋值;队列不为空的时候正常进行尾插

3.2 队头出队列 (QueuePop)

void QueuePop(Queue* q)
{assert(q);  //确保q合法assert(!QueueEmpty(q)); //确保队列不为空if (q->size == 1){//如果只有一个元素,头删的同时还要将尾指针置空free(q->front);q->front = q->rear = NULL;}else {//如果不止一个元素,则只头删QNode* nextNode = q->front->next;free(q->front);q->front = nextNode;}q->size--;
}

首先确保 q 合法
分为三种情况:
- 队列为空直接返回错误
- 队列只有一个结点,头尾指针都置空
- 队列有两个及以上的结点,简单头删

3.3 获取队列头部元素 (QueueTop)

QDataType QueueFront(Queue* q)
{assert(q);  //确保q合法assert(!QueueEmpty(q)); //确保队列不为空return q->front->data;
}

3.4 获取队列尾部元素 (QueueBack)

QDataType QueueBack(Queue* q)
{assert(q);  //确保q合法assert(!QueueEmpty(q)); //确保队列不为空return q->rear->data;
}

3.5 获取队列大小 (QueueSize)

int QueueSize(Queue* q)
{assert(q);  //确保q合法return q->size;
}

3.6 判断队列是否为空, 如果为空返回非0, 非空返回0 (QueueEmpyt)

int QueueEmpty(Queue* q)
{assert(q);  //确保q合法if (q->size == 0){return 1;}else {return 0;}
}

3.7 销毁队列 (QueueDestroy)

void QueueDestroy(Queue* q)
{assert(q);while(!QueueEmpty(q)){QNode* nextNode = q->front->next;free(q->front);q->front = nextNode;}q->front = q->rear = NULL;q->size = 0;
}

首先确保 q 合法
从头遍历队列,依次释放每个结点的空间,注意先要记录当前要销毁结点的下一个结点.

3.8 完整代码

Queue.h

#pragma once #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>typedef int QDataType;// 链式结构表示队列
typedef struct QListNode
{struct QListNode* next;QDataType data;
}QNode;// 队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* front;    //指向队列头QNode* rear;     //指向队列尾int size;        //记录队列的元素个数
}Queue;// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* q, QDataType x);
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* q);
// 检测队列是否为空, 如果为空返回非零结果, 如果非空返回0
int QueueEmpty(Queue* q);
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q);

Queue.c

#pragma once #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>typedef int QDataType;// 链式结构表示队列
typedef struct QListNode
{struct QListNode* next;QDataType data;
}QNode;// 队列的结构
typedef struct Queue
{QNode* front;    //指向队列头QNode* rear;     //指向队列尾int size;        //记录队列的元素个数
}Queue;// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* q, QDataType x);
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* q);
// 检测队列是否为空, 如果为空返回非零结果, 如果非空返回0
int QueueEmpty(Queue* q);
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q);

test.c

#include "Queue.h"void QueueTest1()
{Queue queue;QueueInit(&queue);QueuePush(&queue, 1);QueuePush(&queue, 2);QueuePush(&queue, 3);QueuePush(&queue, 4);QueuePush(&queue, 5);QueuePop(&queue);QueuePop(&queue);QueuePop(&queue);QueuePop(&queue);QueuePop(&queue);QueuePop(&queue);
}void QueueTest2()
{Queue queue;QueueInit(&queue);QueuePush(&queue, 1);QueuePush(&queue, 2);QueuePush(&queue, 3);QueuePush(&queue, 4);QueuePush(&queue, 5);QueuePush(&queue, 6);while (!QueueEmpty(&queue)){fprintf(stdout, "%d ", QueueFront(&queue));QueuePop(&queue);}printf("\n");}
int main(void)
{//QueueTest1();QueueTest2();return 0;
}