【数据结构】详解队列

现在我们来掌握一下队列！如果有对往期知识有不足地方，可翻阅之前文章哦！

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栈和队列的实现其实都是对你顺序表和链表的检验，只有一些新的概念罢了！

哈哈！不信就往下看吧！！！

什么是队列？

扩展--循环队列

队列的实现

初始化

队列的插入

队列的判空

队列的删除

队列的尾数据

队列的头数据

队列的销毁

总代码

Queue.h文件

Queue.c文件

什么是队列？

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。

上图理解：

注意：遵循先进先出的原则！这个原则就是区分栈（后进先出）和队列（先进先出）方法！

我们来看看一个队列需要有的最基本要求：详情见--queue - C++ Reference

了解了队列的基本概念，我们来扩展一下！

扩展--循环队列

生活中队列很常用，而在实际的生活中，有时我们会用到循环队列。

循环队列它也有一些应用场景。如：在操作系统中的生产者消费者模型（这个我们后续提到！）

在这种问题中，环形队列可以使用数组实现，也可以使用循环链表实现。

我们图上了解：

空的环形队列：

满的环形队列：

注意：为了能区别Q.front=Q.rear为队满还是队空，我们通常认为Q.rear+1=Q.front为满！

ok!了解了队列的基本，我们来巩固一下：

3.循环队列的存储空间为 Q(1:100) ，初始状态为 front=rear=100 。经过一系列正常的入队与退队操作后， front=rear=99 ，则循环队列中的元素个数为（）

A .1

B.2

C.99

D.0或者100

4.以下( )不是队列的基本运算？

A.从队尾插入一个新元素

B.从队列中删除第i个元素

C.判断一个队列是否为空

D.读取队头元素的值

5.现有一循环队列，其队头指针为front，队尾指针为rear；循环队列长度为N。其队内有效长度为( )？(假设队头不存放数据)

A.(rear - front + N) % N + 1

B.(rear - front + N) % N

C.ear - front) % (N + 1)

D.(rear - front + N) % (N - 1)

答案：3.D 4.B 5.B

参考：

3.我们肯定知道元素个数为空时，front=rear，可当front=rear时，也有元素为满的情况！

5.因为是循环队列，单纯尾指针和头指针相减并不能求出总长。

现在我们来实现一下队列（按照一个队列的基本要求）。

当然，队列像栈一样，都可以写成链表和顺序表的底层！这里主要了解链表！

队列的实现

还是老样子：我们创建Queue.h文件声明各种变量和函数，创建Queue.c文件来将函数实现。

思路：

我们在实现一个函数时，要先弄清楚参数。

既然底层是链表，那么就得定义节点！

typedef int QDataType;
//队列节点
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType val;
}QNode;

我们来看看我们的底层逻辑：需要头指针记录头，尾指针记录尾，一个计数变量。

既然需要这几个变量时刻记录，不如我们直接定义一个结构体来管理这些参数。

作用：

这里将参数管理起来可以避免插入和删除函数参数二级指针的使用！（下面会有体现）。

typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;

ok! 我们来将这些函数一一实现。

初始化

我们得先将记录的参数初始化一下，以便后续参数的更新！

//队列的初始化
void QInit(Queue* p)
{
	assert(p);
	p->phead = p->ptail = NULL;
	p->size = 0;
}

队列的插入

这里谨记：队列是先进先出，栈是后进先出，不要搞混了！

这里由于记录好了尾指针，我们直接在尾后面插入就行！这样看是不是觉得很方便？避免了二级指针的使用。

在插入之前，需要开辟一个节点，然后开始插入！

//队列的插入
void Qpush(Queue* p, QDataType x)
{
	assert(p);
	QNode* node = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (node == NULL)
	{
		perror("malloc failed!");
		return;
	}
	//初始化节点
	node->next = NULL;
	node->val = x;
	//开始插入
	if (p->phead == NULL)
	{
		p->phead = p->ptail = node;
	}
	else
	{
		p->ptail->next = node;
		p->ptail = node;
	}
}

队列的判空

我们只需要在管理的数据变量中判断计数器的值是否为空就行！这也侧面体现了我们用一个结构体管理变量的好处！

//队列的判空
bool QEmpty(Queue* p)
{
	assert(p);
	return p->size==0;
}

队列的删除

在删除之前，我们要先判断队列是否为空，如果为空的话，不能删除。
因为队列是先进先出原则，既然尾部进数据，那么头部出数据。所以我们删除数据要在头部删除！

而在删除时要讨论队列中一个节点还是多个节点问题。本来不讨论我们也能删除数据，那么是为什么要讨论呢？

当队列中只有一个节点时，头指针等于尾指针一起指向这一个节点，当删除时，头指针移向空，然后将这个节点释放掉，但尾指针仍然指向那个节点，当我们访问尾指针指向的那个值时，程序出现错误！

我们上图理解：

于是我们能这样写代码：

//队列的删除
void Qpop(Queue* p)
{
	assert(p);
	//删除之前不能为空
	assert(!QEmpty(p));
	//讨论队列只有一个节点的情况！
	if (p->phead->next == NULL)
	{
		free(p->phead);
		p->phead = p->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = p->phead->next;
		free(p->phead);
		p->phead = next;
	}
	p->size--;
}

队列的尾数据

有了前面的基础，我们访问队列尾数据十分简单，但需要注意的是，判断队列是否为空。

//队列的尾数据
QDataType QBack(Queue* p)
{
	assert(p);
	assert(!QEmpty(p));
	return p->ptail->val;
}

队列的头数据

能十分访问尾数据，访问头数据也是如此，但是别忘了要判断队列是否为空。

//队列的头数据
QDataType QFront(Queue* p)
{
	assert(p);
	assert(!QEmpty(p));
	return p->phead->val;
}

队列的销毁

我们动态开辟了内存节点，那么当我们不用了这个队列时，不要忘了销毁它！

//队列的销毁
void QDestroy(Queue* p)
{
	assert(p);
	QNode* cur = p->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
}

总代码

Queue.h文件

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

typedef int QDataType;
//队列节点
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType val;
}QNode;

//队列相关变量
//先进先出
typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;


//队列的初始化
void QInit(Queue* p);
//队列的插入
void Qpush(Queue* p, QDataType x);
//队列的判空
bool QEmpty(Queue* p);
//队列的删除
void Qpop(Queue* p);
//队列的尾数据
QDataType QBack(Queue* p);
//队列的头数据
QDataType QFront(Queue* p);
//队列的销毁
void QDestroy(Queue* p);

Queue.c文件

#include"Queue.h"
//队列的初始化
void QInit(Queue* p)
{
	assert(p);
	p->phead = p->ptail = NULL;
	p->size = 0;
}
//队列的插入
void Qpush(Queue* p, QDataType x)
{
	assert(p);
	QNode* node = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (node == NULL)
	{
		perror("malloc failed!");
		return;
	}
	//初始化节点
	node->next = NULL;
	node->val = x;
	//开始插入
	if (p->phead == NULL)
	{
		p->phead = p->ptail = node;
	}
	else
	{
		p->ptail->next = node;
		p->ptail = node;
	}
}
//队列的判空
bool QEmpty(Queue* p)
{
	assert(p);
	return p->phead == NULL;
}
//队列的删除
void Qpop(Queue* p)
{
	assert(p);
	//删除之前不能为空
	assert(!QEmpty(p));
	//讨论队列只有一个节点的情况！
	if (p->phead->next == NULL)
	{
		free(p->phead);
		p->phead = p->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = p->phead->next;
		free(p->phead);
		p->phead = next;
	}
	p->size--;
}
//队列的尾数据
QDataType QBack(Queue* p)
{
	assert(p);
	assert(!QEmpty(p));
	return p->ptail->val;
}
//队列的头数据
QDataType QFront(Queue* p)
{
	assert(p);
	assert(!QEmpty(p));
	return p->phead->val;
}
//队列的销毁
void QDestroy(Queue* p)
{
	assert(p);
	QNode* cur = p->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
}

好了，现在你已经掌握了队列，快去题海感受一下吧！

我们下期见！