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个人专栏：《算法神殿》《数据结构世界》《进击的C++》

远方有一堆篝火，在为久候之人燃烧！

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引言

数据结构世界——队列（Queue）

一、队列的概念

队列，是一种特殊的线性表，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，队列具有先进先出 FIFO(First In First Out)的规则。

入队：队列的插入操作叫做入队。进行插入操作的一端称为队尾。
出队：队列的删除操作叫做出队。进行删除操作的一端称为队头。

二、队列的模拟实现

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。

2.1 定义

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

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

• 定义两个结构体，一个代表节点的信息，另一个代表队列的信息
• 因为队列的特性要在一端入，另一端出，所以要记录头尾指针（要不然找尾效率太低了）
• 而size代表当前队列元素个数（可加可不加，加上更好）

2.2 初始化

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

• 头尾指针置为NULL，size置为0

2.3 销毁

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

• 创建cur变量，循环释放每一个节点，直到cur为空
• 最后再将头尾指针置为NULL，size置为0

2.4 入队

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);

	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	if (pq->ptail == NULL)
	{
		assert(pq->phead == NULL);
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}

	pq->size++;
}

• 先创建新节点，用malloc函数动态开辟节点空间，再将数据放入新节点中，初始地址为NULL（因为这里只有入队用到生成新节点，所以不用抽离成函数）
• 再要分空链表和非空链表进行讨论，空链表判断时，加入assert断言，防止外部操作错误，造成头指针不为空，尾指针为空
• 链表为空时，则头尾指针都指向新节点；链表不为空时，则正常尾插

2.5 判空

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size == 0;
}

• 如果size为0，则队列为空，返回真；反之，则不为空，返回假

2.6 出队

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	if (pq->phead->next == NULL)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}

	pq->size--;
}

• 先判断队列是否为空（保证phead不为NULL，防止为空指针的解引用）
• 再分单个节点和多个节点来讨论：单个节点，则释放头指针指向的节点后，头尾指针置为NULL；多个节点，则正常头删

2.7 获取队头元素

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->phead->data;
}

• 获取头指针节点的数据

2.8 获取队尾元素

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->ptail->data;
}

• 获取尾指针节点的数据

2.9 获取队列的元素个数

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size;
}

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这里很多函数实现都很简单，有些操作直接外部对结构体都可以直接实现，但最后还是写成函数封装，防止别人使用时对该数据结构不够熟悉，导致使用错误。

2.10 元素访问

队列中元素访问（打印），不是用函数实现。因为它的特殊结构，决定了它的元素不能从任意位置访问 ，必须符合先进先出原则才可以。

void TestQueue1()
{
	Queue q;
	//初始化
	QueueInit(&q);
	//入队
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
	//打印
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		printf("%d ", QueueFront(&q));
		QueuePop(&q);
	}
	//销毁
	QueueDestroy(&q);
}

• 通常用循环的方式进行访问，同时每访问一个元素，就将它弹出队列，再进行下一个元素的访问

三、队列的应用场景

1. 任务调度
   在操作系统中，任务调度是一个重要的功能。当多个任务需要等待执行时，可以将它们按照到达的顺序放入队列中，然后由调度器按照队列的顺序依次执行这些任务。

2. 打印作业
   在打印机中，当有多个打印作业需要等待处理时，可以将它们放入队列中。打印机按照队列的顺序依次处理这些作业，确保先到达的作业先被打印出来。

3. 网络数据包处理
   在网络通信中，数据包的处理通常也是按照队列的方式进行的。当网络设备接收到数据包时，将它们放入接收队列中；当设备需要发送数据包时，从发送队列中取出数据包进行发送。这种方式保证了数据包的顺序性和高效性。

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