队列详解（C语言实现）

news2024/11/29 10:37:57

文章目录

写在前面
1 队列的定义
2 队列的初始化
3 数据入队列
4 数据出队列
5 获取队头元素
6 获取队尾元素
7 获取队列元素个数
8 判断队列是否为空
8 队列的销毁

写在前面

本片文章详细介绍了另外两种存储逻辑关系为 “一对一” 的数据结构——栈和队列中的队列，并使用C语言实现链队列。
队列C语言实现源码：队列源码
以队列在存储数据时具有特殊的顺序规则：
队列：使用队列存储数据，遵循 “先进先出” 的原则，即最先进队列的数据最先出队列。队列也可以分为顺序队列（基于数组实现）和链队列（基于链表实现）。
在这里插入图片描述

队列的实现方式分为顺序和链式结构，分别适用于不同的场景。顺序结构在内存中占据一块连续的空间，而链式结构通过节点之间的指针连接。这使得栈和队列在实际应用中更灵活，可以根据具体需求选择不同的实现方式。

1 队列的定义

链式队列的实现其实和之前单链表的实现很类似，只不过队列中数据的进出要遵循 “先进先出” 的原则。
链式队列节点的定义：

typedef int QDataType;

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

队列的定义通常包括两个指针和一个整型，一个指针front指向队列的头，一个指针tail指向队列的尾，还有一个整型size用来记录队列的数据个数。
下面是队列结构的定义：

typedef struct Queue
{
	QNode* front;//指向队列头部的指针
	QNode* tail;//指向队列尾部的指针
	int size;//记录队列中元素个数
}Queue;

2 队列的初始化

刚开始队列为空，头指针front和尾指针tail指向NULL，此时队列中元素个数为0，因此将size初始化为0。
代码如下：

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);//检查参数有效性

	pq->front = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

3 数据入队列

数据入队列分为一下两种情况：

队列为空时，新建节点，并用要入队列的数据初始化节点，此时front 和 tail都指向新插入的节点，同时将size+1。
队列不为空时，新建节点，并用要入队列的数据初始化节点，此时tail->next指向新插入的节点，更新tail指向新插入的节点。

数据1 2 3 4 入队列图解：
在这里插入图片描述
代码如下：

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);//检查参数有效性
	//创建新节点
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("QueuePush->malloc");
		exit(-1);
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->val = x;
	//入队列
	//1. 队列为空
	//2. 队列不为空
	if (pq->front == NULL)
	{
		assert(!pq->tail);// 队列为空时，tail front都为空
		pq->front = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

4 数据出队列

我们知道，队列只能在队尾一端入数据，出数据时只能出队头的数据。因为它要保证有数据元素需要出队时，按照 “先进先出” 的原则。
数据出队的步骤如下：

在执行数据出队列操作之前，需要检查队列是否为空。如果队列为空（即没有数据），则无法执行出队列操作。
如果队列不为空，即存在数据，就可以执行出队列操作。
此时数据出队列又分为两种情况：
- 队列中只有一个数据：
  此时只需要将该数据所在节点释放，并将 front 和 tail 置为NULL即可。
- 队列中有两个及以上数据：
  保存头节点下一个节点的地址，释放头节点，更新front，使front指向新的队头元素。

数据1 2 3 4 出队列图解：
在这里插入图片描述

代码如下：

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);//检查参数有效性
	assert(!QueueEmpty(pq));//检查队列是否为空，为空不能pop

	//出队列
	//1. 队列只有1个元素
	//2.队列有2个以上元素
	if (pq->front->next == NULL)
	{
		free(pq->front);
		pq->front = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->front->next;
		free(pq->front);
		pq->front = next;
	}
	pq->size--;
}

5 获取队头元素

获取队头元素的步骤如下：

在执行取队头元素操作之前，需要检查队列是否为空。如果队列为空（即没有数据），则无法执行此操作。
头指针front指向的就是队头元素，如要获取队头元素，因此只需返回front->val即可。

在这里插入图片描述代码如下：

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);//检查参数有效性
	assert(!QueueEmpty(pq));//检查队列是否为空，为空不能取队头元素

	return pq->front->val;
}

6 获取队尾元素

获取队尾元素的步骤如下：

在执行取队尾元素操作之前，需要检查队列是否为空。如果队列为空（即没有数据），则无法执行此操作。
尾指针tail指向的就是队头元素，如要获取队尾元素，因此只需返回tail->val即可。

在这里插入图片描述
代码如下：

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);//检查参数有效性
	assert(!QueueEmpty(pq));//检查队列是否为空，为空不能取队尾元素

	return pq->tail->val;
}

7 获取队列元素个数

队列中的size记录的就是队列中元素的个数，如要获取队列元素个数，返回size即可。
代码如下：

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);//检查参数有效性

	return pq->size;
}

8 判断队列是否为空

根据队列初始化函数，我们知道，队列为空时，front 和 tail 都指向NULL。
此时size=0，也可以用size来判断，这里作者选择用front 和 tail 来进行判断。
在这里插入图片描述
代码如下：

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);//检查参数有效性
	return pq->front == NULL && pq->tail == NULL;
}

8 队列的销毁

链队列用来存储数据的节点都是动态申请的，因此队列销毁时，只需要遍历该链队列，依次释放每个节点。最后将 front 和 tail 置为NULL，size 置为0即可。
代码如下：

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);//检查参数有效性
	QNode* cur = pq->front;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->front = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}