数据结构与算法(C语言版)P6---队列

news2025/7/19 7:03:00

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（First In First Out）

入队列：进行插入操作的一端称为__队尾__。

出队列：进行删除操作的一端称为__对头__。

在这里插入图片描述
数据存放：现在有数据：A、B、C、D要存放，那存放数据顺序就是一次存入，并且存放的位置如下：
在这里插入图片描述

1.1、队列的实现概念

队列也可以数组和链表的结构实现，使用链表的结构实现更优一些，因为如果数组的结构，出队列在数组头上出数据，效率会比较低。

因为数组队列在处一个数据后们需要整体挪动数据向前，所以麻烦，这里不如链表。而链表在出数据是，把节点释放，然后将phead在指向要出数据的后一个数据即可，并且我们也记录个尾节点ptail，用来链接放在队列中新数据即可。

在这里插入图片描述
所以队列的实现主要以链表队列为主要。

2、链队列的实现

队列主要有以下接口函数

  • 初始化（QueueInit）
  • 销毁（QueueDestroy）
  • 扩容（BuyQueueNode）
  • 队尾插入数据（QueuePush）
  • 对头删除数据（QueuePop）
  • 取队尾数据（QueueBack）
  • 取对头数据（QueueFront）
  • 统计队列中数据个数（QueueSize）
  • 判断队列是否为空（QueueEmpty）

2.1、定义结构体

这里需要重点说明这个结构体的定义。
1、首先我们定义一个QueueNode结构体，这个结构体就是动态扩容的结点。里面有一个Next指针域，还有一个data数据域。如下：

typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType data;
}QNode;

2、然后是重点来了：这里我们需要创建两个QueueNode*类型的指针：head，tail。分别用来队列的头结点和尾节点。如下：

typedef struct Queue
{
	struct QueueNode* head;
	struct QueueNode* tail;
}Queue;

然后整体结构体定义就如下：

#pragma once

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>

typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	QDataType data;
	struct QueueNode* Next;
}QNode;

typedef struct Queue
{
	struct QueueNode* head;
	struct QueueNode* tail;
}Queue;

2.2、队列初始化

将头结点和尾节点置为NULL即可。

//队列初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;
}

2.3、销毁

依次遍历结点进行销毁

//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->Next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

2.4、扩容

//扩容
QNode* BuyQueueNode(QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->Next = NULL;
	return newnode;
}

2.5、队尾插入数据

队列在队尾入数据，因为我们提前设置了尾结点(tail)，那操作就容易了，先将tail的Next域指向新节点的地址，然后再将新节点的地址赋值给tail，便于下次再尾插。

但是由于我们没创建哨兵位，所以在进行结点的插入和删除时，需要考虑边界问题。
那这里，特殊情况就是，如果是第一次插入数据，也就是当pq->head == NULL时，我们可以直接将新节点的地址赋值给头结点和尾节点。

//对尾插入数据
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	QNode* newnode = BuyQueueNode(x);

	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->Next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}

2.6、对头删除数据

核心思想：先保存头结点的后驱结点的地址，然后释放头结点，然后将先前保存头结点的后驱结点的地址赋值给头结点。
特殊情况：当pq->head == NULL时，也就意味着整个队列为空了，所以我们还需要将pq->tail = NULL。

//队头删除数据
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	QNode* next = pq->head->Next;
	free(pq->head);
	pq->head = next;
	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->tail = NULL;
	}
}

2.7、取队尾数据

//取队尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

2.8、取对头数据

//取对头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

2.8、统计队列元素个数

使用个计数器，依次遍历队列中的结点，来统计队列元素个数。

//统计队列元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	int count = 0;
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		count++;
		cur = cur->Next;
	}
	return count;
}

2.10、判断队列是否为空

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL;
}

2.11、main函数测试程序

下面测试程序功能：遍历输出队列中的数据。

#include "queue.h"

int main()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);

	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
	QueuePush(&q, 5);
	QueuePush(&q, 6);

	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		printf("%d ", QueueFront(&q));
		QueuePop(&q);
	}
	printf("\n");
	
	QueueDestroy(&q);

	return 0;
}

输出：
在这里插入图片描述

3、全代码展示

这里使用三个文件：

  • queue.h：用于结构体、各种函数接口的声明
  • queue.c：用于各种函数接口的定义。
  • test.c：用于创建链表，实现链表。

3.1、queue.h

#pragma once

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>

typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	QDataType data;
	struct QueueNode* Next;
}QNode;

typedef struct Queue
{
	struct QueueNode* head;
	struct QueueNode* tail;
}Queue;

//队列初始化
void QueueInit(Queue* pq);

//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);

//扩容
QNode* BuyQueueNode(QDataType x);

//对尾插入数据
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//队头删除数据
void QueuePop(Queue* pq);

//取队尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq);

//取对头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);

//统计队列元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);

3.2、queue.c

#include "queue.h"

//队列初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;
}

//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->Next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

//扩容
QNode* BuyQueueNode(QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->Next = NULL;
	return newnode;
}

//对尾插入数据
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	QNode* newnode = BuyQueueNode(x);

	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->Next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}

//队头删除数据
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	QNode* next = pq->head->Next;
	free(pq->head);
	pq->head = next;
	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->tail = NULL;
	}
}

//取队尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

//取对头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

//统计队列元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	int count = 0;
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		count++;
		cur = cur->Next;
	}
	return count;
}

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL;
}

3.3、test.c

#include "queue.h"

int main()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);

	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
	QueuePush(&q, 5);
	QueuePush(&q, 6);

	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		printf("%d ", QueueFront(&q));
		QueuePop(&q);
	}
	printf("\n");

	QueueDestroy(&q);

	return 0;
}

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