C语言实现数据结构之队列

队列
- 一. 队列的概念及结构
- 二. 队列的实现
- - 1. 要实现的功能
  - 2 具体的实现
  - - 2.1 结构体
    - 2.2 初始化
    - 2.3 入队列
    - 2.4 出队列
    - 2.5 返回队首元素
    - 2.6 返回队尾元素
    - 2.7 队列元素个数
    - 2.8 队列判空
    - 2.9 队列销毁
- 三. 队列相关OJ题
- - 设计循环队列
  - 用队列实现栈
  - 用栈实现队列
- 四. 概念选择题
- 五. 参考代码
- - Queue.h
  - Queue.c
  - test.c

队列

一. 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
队列的先进先出

二. 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。
入队列与出队列

1. 要实现的功能

// 链式结构：表示队列
typedef struct QListNode
{
struct QListNode* _pNext;
QDataType _data;
}QNode;
// 队列的结构
typedef struct Queue
{
QNode* _front;
QNode* _rear;
}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);

另外扩展了解一下，实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型时可以就会使用循环队列。环形队列可以使用数组实现，也可以使用循环链表实现。

2 具体的实现

本次队列的实现我们基于双向链表。

2.1 结构体

为了适配多种数据类型，这里使用typedef对数据类型进行重命名，便于进行统一修改。
由于链表QueueNode的节点只含有next指针和值，所以我们额外定义一个结构体Queue记录下链表的头和尾，便于快速进行相关操作。

typedef int QDataType;

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

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

2.2 初始化

初始化将记录的头和尾置空，元素个数置空

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

2.3 入队列

入队列创建一个新节点，并放在记录好的尾节点的位置之后，成为新的尾节点，最后元素个数增加。

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
		exit(1);
	}

	newnode->next = NULL;
	newnode->val = x;

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

2.4 出队列

出队列释放掉第一个节点（头节点），然后让第二个节点成为新的头节点，最后元素个数减少。

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->size);

	QNode* next = pq->phead->next;
	free(pq->phead);
	pq->phead = next;

	if (pq->phead == NULL)//just one node
	{
		pq->ptail = NULL;
	}

	pq->size--;
}

2.5 返回队首元素

返回我们记录的头节点的值即可。

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);
	return pq->phead->val;
}

2.6 返回队尾元素

返回我们记录的尾节点的值即可。

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->ptail);
	return pq->ptail->val;
}

2.7 队列元素个数

返回我们记录的元素个数即可。

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

2.8 队列判空

返回我们记录的元素个数是否为零。

_Bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size == 0;
}

2.9 队列销毁

类似于单链表的销毁，依次销毁每一个节点后将头尾置空，将元素个数置空。

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

三. 队列相关OJ题

设计循环队列

题目链接:设计循环队列

//顺序表
typedef struct 
{
    int* a;
    int head;
    int tail;
    int k;    
} MyCircularQueue;

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj);

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) 
{
    MyCircularQueue* pq = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));

    //多开辟一个空间解决假溢出问题
    pq->a = malloc(sizeof(int) * (k + 1));
    pq->head = 0;
    pq->tail = 0;
    pq->k = k;

    return pq;
}

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) 
{
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->a[obj->tail] = value;
    obj->tail++;

    obj->tail %= (obj->k + 1);
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }   
    obj->head++;
    obj->head %= obj->k + 1;

    return true;
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return EOF;
    }
    else
    {
        return obj->a[obj->head];
    }   
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return EOF;
    }
    else
    {
        //return obj->tail == 0 ? obj->a[obj->k] : obj->a[obj->tail - 1];
        //return obj->a[(obj->tail - 1 + obj->k + 1) % (obj->k + 1)];
        return obj->a[(obj->tail + obj->k) % (obj->k + 1)];
    }
}

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) 
{
    return obj->head == obj->tail;    
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) 
{
    return (obj->tail + 1) % (obj->k + 1) == obj->head;    
}

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) 
{
    free(obj->a);
    free(obj);
}

/**
 * Your MyCircularQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyCircularQueue* obj = myCircularQueueCreate(k);
 * bool param_1 = myCircularQueueEnQueue(obj, value);
 
 * bool param_2 = myCircularQueueDeQueue(obj);
 
 * int param_3 = myCircularQueueFront(obj);
 
 * int param_4 = myCircularQueueRear(obj);
 
 * bool param_5 = myCircularQueueIsEmpty(obj);
 
 * bool param_6 = myCircularQueueIsFull(obj);
 
 * myCircularQueueFree(obj);
*/

用队列实现栈

题目链接:用队列实现栈

typedef int QDataType;

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

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

队尾插入
//void QueuePush(QNode** pphead, QNode** pptail, QDataType x);
//
队头删除
//void QueuePop(QNode** pphead, QNode** pptail);

//初始化
void QueueInit(Queue* pq);

//队尾插入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//队头删除
void QueuePop(Queue* pq);

//取队头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);

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

//队列元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

//判空
_Bool QueueEmpty(Queue* pq);

//队列的销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
		exit(1);
	}

	newnode->next = NULL;
	newnode->val = x;

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

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->size);

	QNode* next = pq->phead->next;
	free(pq->phead);
	pq->phead = next;

	if (pq->phead == NULL)
	{
		pq->ptail = NULL;
	}

	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);
	return pq->phead->val;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->ptail);
	return pq->ptail->val;
}

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

_Bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size == 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

typedef struct {
    Queue q1;
    Queue q2;
} MyStack;


MyStack* myStackCreate() 
{
    MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    if(pst == NULL)
    {
        perror("malloc failed");
        exit(1);
    }
    QueueInit(&pst->q1);
    QueueInit(&pst->q2);
    return pst;
}

void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    if(!QueueEmpty(&(obj->q1)))
    {
        QueuePush(&(obj->q1), x);
    }
    else
    {
        QueuePush(&(obj->q2), x);
    }
}

int myStackPop(MyStack* obj) 
{
    //如果队列不为空，就把前size - 1个数据放在另一个队列中，释放最后一个节点的数据
    Queue* emp = &(obj->q1);//假设q1为空
    Queue* noemp = &(obj->q2);
    if(QueueEmpty(&(obj->q2)))//如果q2为空
    {
        emp = &(obj->q2);
        noemp = &(obj->q1);
    }

    int sz = QueueSize(noemp);
    while(sz > 1)
    {
        QueuePush(emp, QueueFront(noemp));
        QueuePop(noemp);
        sz--;
    }
    int top = QueueFront(noemp);
    QueuePop(noemp);
    return top;
}

int myStackTop(MyStack* obj) 
{
    if(!QueueEmpty(&(obj->q1)))
    {
        return QueueBack(&(obj->q1));
    }
    else
    {
        return QueueBack(&(obj->q2));
    }
}

bool myStackEmpty(MyStack* obj) 
{
    return QueueEmpty(&(obj->q1)) && QueueEmpty(&(obj->q2));
}

void myStackFree(MyStack* obj) 
{
    QueueDestroy(&obj->q1);
    QueueDestroy(&obj->q2);
    free(obj);
}

/**
 * Your MyStack struct will be instantiated and called as such:
 * MyStack* obj = myStackCreate();
 * myStackPush(obj, x);
 
 * int param_2 = myStackPop(obj);
 
 * int param_3 = myStackTop(obj);
 
 * bool param_4 = myStackEmpty(obj);
 
 * myStackFree(obj);
*/

用栈实现队列

题目链接:用栈实现队列

typedef int STDataType;

typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

//初始化
void STInit(ST* pst);

//销毁
void STDestroy(ST* pst);

//插入数据（入栈）
void STPush(ST* pst, STDataType x);

//删除数据（出栈）
void STPop(ST* pst);

//获取栈顶数据
STDataType STTop(ST* pst);

//判空
_Bool STEmpty(ST* pst);

//获取数据个数
int STSize(ST* pst);

void STInit(ST* pst)
{
	assert(pst);

	pst->a = NULL;
	pst->capacity = 0;
	// top指向栈顶数据的下一个位置
	pst->top = 0;

	 top指向栈顶数据
	//pst->top = -1;
}

void STDestroy(ST* pst)
{
	assert(pst);

	free(pst->a);

	pst->a = NULL;
	pst->capacity = 0;
	pst->top = 0;
}

void STPush(ST* pst, STDataType x)
{
	assert(pst);

	//扩容
	if (pst->top == pst->capacity)
	{
		int newcapacity = (pst->capacity == 0) ? 4 : (2 * pst->capacity);
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc failed");
			exit(1);
		}

		pst->a = tmp;
		pst->capacity = newcapacity;
	}

	//存放数据
	pst->a[pst->top] = x;
	pst->top++;
}

void STPop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(pst->top > 0);
	pst->top--;
}

STDataType STTop(ST* pst)
{
	assert(pst);
	assert(pst->top > 0);

	return pst->a[pst->top - 1];
}

_Bool STEmpty(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top == 0;
}

int STSize(ST* pst)
{
	assert(pst);
	return pst->top;
}

typedef struct 
{
    ST s1;
    ST s2;
} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() 
{
    MyQueue* pqe = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    if(pqe == NULL)
    {
        perror("malloc failed");
        exit(1);
    }
    STInit(&(pqe->s1));
    STInit(&(pqe->s2));
    return pqe;
}

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) 
{
    if(!STEmpty(&(obj->s1)))
    {
        STPush(&(obj->s1), x);
    }
    else
    {
        STPush(&(obj->s2), x);
    }
}

int myQueuePop(MyQueue* obj)
{
	ST* emp = &(obj->s1);//假设s1为空
	ST* noemp = &(obj->s2);
	if (STEmpty(&(obj->s2)))//如果s2为空
	{
		emp = &(obj->s2);
		noemp = &(obj->s1);
	}


	int sz = STSize(noemp);
	if (sz == 1)
	{
		int top = STTop(noemp);
		STPop(noemp);
		return top;
	}
	else
	{
		while (sz > 1)
		{
			STPush(emp, STTop(noemp));
			STPop(noemp);
			sz--;
		}
		int top = STTop(noemp);
		STPop(noemp);
		ST* tmp = noemp;
		noemp = emp;
		emp = tmp;
		sz = STSize(noemp);
		while (sz > 0)
		{
			STPush(emp, STTop(noemp));
			STPop(noemp);
			sz--;
		}
		return top;
	}
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj)
{
	ST* emp = &(obj->s1);//假设s1为空
	ST* noemp = &(obj->s2);
	if (STEmpty(&(obj->s2)))//如果s2为空
	{
		emp = &(obj->s2);
		noemp = &(obj->s1);
	}


	int sz = STSize(noemp);
	if (sz == 1)
	{
		int top = STTop(noemp);
		return top;
	}
	else
	{
		while (sz > 1)
		{
			STPush(emp, STTop(noemp));
			STPop(noemp);
			sz--;
		}
		int top = STTop(noemp);
		STPush(emp, STTop(noemp));
		STPop(noemp);
		ST* tmp = noemp;
		noemp = emp;
		emp = tmp;
		sz = STSize(noemp);
		while (sz > 0)
		{
			STPush(emp, STTop(noemp));
			STPop(noemp);
			sz--;
		}
		return top;
	}
}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) 
{
    return STEmpty(&obj->s1) && STEmpty(&obj->s2);
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) 
{
    STDestroy(&obj->s1);
    STDestroy(&obj->s2);
    free(obj);  
}

/**
 * Your MyQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyQueue* obj = myQueueCreate();
 * myQueuePush(obj, x);
 
 * int param_2 = myQueuePop(obj);
 
 * int param_3 = myQueuePeek(obj);
 
 * bool param_4 = myQueueEmpty(obj);
 
 * myQueueFree(obj);
*/

四. 概念选择题

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
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
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
D
B
B

五. 参考代码

Queue.h

#pragma once

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

typedef int QDataType;

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

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

队尾插入
//void QueuePush(QNode** pphead, QNode** pptail, QDataType x);
//
队头删除
//void QueuePop(QNode** pphead, QNode** pptail);

//初始化
void QueueInit(Queue* pq);

//队尾插入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//队头删除
void QueuePop(Queue* pq);

//取队头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);

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

//队列元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

//判空
_Bool QueueEmpty(Queue* pq);

//队列的销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);

Queue.c

#include "Queue.h"

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
		exit(1);
	}

	newnode->next = NULL;
	newnode->val = x;

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

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->size);

	QNode* next = pq->phead->next;
	free(pq->phead);
	pq->phead = next;

	if (pq->phead == NULL)//just one node
	{
		pq->ptail = NULL;
	}

	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);
	return pq->phead->val;
}

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->ptail);
	return pq->ptail->val;
}

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

_Bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size == 0;
}

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

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);

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

	return 0;
}