[数据结构 -- C语言] 队列(Queue)

2023-08-08 49

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简介： [数据结构 -- C语言] 队列(Queue)

1、队列

1.1 队列的概念及结构

队列：只允许在一端进行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作的特殊线性表，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队头

2、队列的实现

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，因为如果使用数组的结构，出队列在数

组头上出数据，效率会比较低。本篇文章就是用链表实现队列。

2.1 接口

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
// 链式结构：表示队列 
typedef int QDataType;
typedef struct QListNode
{
  struct QListNode* next;
  QDataType data;
}QNode;
// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
  QNode* front;
  QNode* rear;
  int size;
}Queue;
// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data);
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列中有效元素个数 
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、接口的实现

3.1 初始化队列

我们将队头指针与队尾指针都置为 NULL，并将队列的大小赋值为 0。

void QueueInit(Queue* q)
{
  assert(q);
  q->front = NULL;
  q->rear = NULL; 
  q->size = 0;
}

3.2 队尾入队列

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
  assert(q);
  QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
  if (newnode == NULL)
  {
    perror("malloc fail:");
    return;
  }
  newnode->data = data;
  newnode->next = NULL;
  if (q->rear == NULL)
  {
    assert(q->front == NULL);
    q->front = q->rear = newnode;
  }
  else
  {
    q->rear->next = newnode;
    q->rear = newnode;
  }
  q->size++;
}

分析：

我们是以链表实现队列的，所以每次入队的时候我们都要 malloc 一个 newnode 结点出来，将 newnode->data = data，newnode->next = NULL。

下来就是连接了：

我们要考虑这个结点是否是队列的第一个结点。

1、是队列的第一个结点的话，我们让头尾指针都指向这个结点（q->front = q->rear = newnode）；

2、不是队列的第一个结点，我们将尾指针的next赋值为新节点（q->rear->next = newnode;），再让尾指针指向新节点（ q->rear = newnode;）；

3、让队列的 size++。

3.3 队头出队列

void QueuePop(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(!QueueEmpty(q));
  //1.一个结点
  if (q->front->next == NULL)
  {
    free(q->front);
    q->front = q->rear = NULL;
  }
  else//2.多个结点
  {
    QNode* next = q->front->next;
    free(q->front);
    q->front = next;
  }
  q->size--;
}

分析：

出队的时候要考虑队列是否是一个结点：
1、队列中只有一个结点，我们将这一个结点释放掉后（free(q->front)），将头、尾指针都置空（q->front = q->rear = NULL）；

2、队列中有多个结点，那我们就将队头的下一个结点先保存起来（next = q->front->next），然后将队头释放掉（free(q->front)），最后让队头指向释放前队头的下一个结点（q->front = next）；

3、最后让队列的 size--。

3.4 获取队列头部元素

取队头元素时，我们先要对队列进行判空，如果队列为空，那就不存在队头元素。

QDataType QueueFront(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(!QueueEmpty(q));
  return q->front->data;
}

3.5 获取队列尾部元素

取队尾元素时，我们先要对队列进行判空，如果队列为空，那就不存在队尾元素。

QDataType QueueBack(Queue* q)
{
  assert(q);
  assert(!QueueEmpty(q));
  return q->rear->data;
}

3.6 获取队列中有效元素个数

我们在创建队列的结构体时，在里面创建了一个变量 size，它专门记录队列中的元素个数，所以在这我们只要返回 q->size就可以了。如果没有定义 size 变量的话，我们遍历一遍队列，用计数器来统计一下个数也是可以的。

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

3.7 检测队列是否为空

3.7.1 int 类型接口

这里我们约定，为空返回非 0，非空返回 0。

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

3.7.2 bool 类型接口

直接判断队头是否为空，队头为空队列就是空。

bool QueueEmpty(Queue* q)
{
  assert(q);
  return q->front == NULL;
}

3.8 销毁队列

销毁我们已经写的很多了，这就直接拿捏。我们先将单链表进行释放，这里有一个注意点，我们要先记下下一个位置，然后释放当前位置，然后将下个位置再交给当前位置来迭代。最后将头、尾指针置空，再将 size 置0。

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

4、完整代码

完整代码在代码仓库，入口：C语言: C语言学习的代码，多复习 - Gitee.com