队列的实现与讲解

news2025/2/4 12:41:11

一.概念与结构

1.概念

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

注意：与上文讲到的栈对比，栈是先进后出，队列是先进先出。

2.结构

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。

数组头删时间复杂度：O(N) ** 数组尾插时间复杂度：O(1)

单链表头删时间复杂度：O(1) 单链表尾插时间复杂度：O(N)

 因此下午队列的实现中，我们采用链表的结构来进行。

二.队列的实现

queue.h

完整头文件如下。

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode//队列节点的结构,即单链表节点的结构
{
	QDataType data;
	struct QueueNode* next;
}QNode;
typedef struct Queue//队列的结构,定义指向队列头尾的指针,以及队列节点的个数
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	QDataType size;
}Q;

void QueueInit(Q*);

//入队列,队尾
void QueuePush(Q*, QDataType);

//出队列,队头
void QueuePop(Q*);

//队列判空
bool QueueEmpty(Q*);

//取队头数据
QDataType QueueFront(Q*);

//取队尾数据
QDataType QueueBack(Q*);

//队列有效元素个数
int QueueSize(Q*);

void QueueDestroy(Q*);

分析：

1.此处我们定义了两个结构体，一个是队列的基本结构QNode，一个是用来表示队列的队头，队尾和元素个数的Q。

2.Q存在的意义主要是为了便于后续表示队列的队头，队尾时可以简化二级指针的个数，且更加清晰。

test.c

相关测试代码如下。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
void QueueTest01()
{
	Q q;//定义队列
	QueueInit(&q);
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
	///
	printf("head:%d\n", QueueFront(&q));
	printf("tail:%d\n", QueueBack(&q));
	printf("size:%d\n", QueueSize(&q));
	QueuePop(&q);
	QueueDestroy(&q);
}

int main()
{
	QueueTest01();
	return 0;
}

队列的初始化

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
void QueueInit(Q* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

分析：

1.需注意，我们此处传入的是指针Q*而非QNode*。

2.其余置空断言操作如常。

队列的销毁

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

分析：

1.由于每个节点与之前的链表类似，都是动态开辟的，因此我们通过Q*找到队列头phead，之后逐个释放节点即可。

2.依次释放之后置空并将元素个数置为0即可。

节点的创建

首先创建一个专门用来生产节点的函数，避免后续插入时代码的冗余。

QNode* BuyNode(QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	return newnode;
}

注意：在创建节点后记得把size++。

队尾插入数据——入队列

void QueuePush(Q* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	if (pq->phead == NULL)
		pq->phead = pq->ptail = BuyNode(x);
	else
	{
		pq->ptail->next = BuyNode(x);
		pq->ptail = pq->ptail->next;
	}
	pq->size++;
}

分析：与链表的尾插原理基本相同。

队列判空

在进入删除之前，首先需要判断队列数据个数是否为空。

bool QueueEmpty(Q* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == NULL && pq->ptail == NULL;
}

此处通过使用size个数是否为0进行判空也可。

队头删除数据——出队列

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

	//只有一个节点的情况,避免ptail变成野指针
	if (pq->ptail == pq->phead)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}

分析：

1.首先判断队列数据是否为空。

2.之后考虑两种情况，如果队列只有一个节点，那么直接删除之后需要将队头和队尾都置为空。

3，如果队列不止存在一个节点，同链表的删除原理类似。

返回队头数据

QDataType QueueFront(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}

返回队尾数据

QDataType QueueBack(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}

输出队列数据个数

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

	//不规范且时间复杂度O(n)
	//int size = 0;
	//QNode* pcur = pq->phead;
	//while (pcur)
	//{
	//	size++;
	//	pcur = pcur->next;
	//}
	//return size;


	return pq->size;

}

分析：

1.如果我们不在最初引入变量size记录数据个数，由于队列是链表结构无法直接通过下标访问元素个数，需要逐个遍历记录，时间复杂度为O（n）。

2.直接返回size的话就可以减少时间消耗。

三.完整代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"
void QueueInit(Q* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}


QNode* BuyNode(QDataType x)
{
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	return newnode;
}


void QueuePush(Q* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	if (pq->phead == NULL)
		pq->phead = pq->ptail = BuyNode(x);
	else
	{
		pq->ptail->next = BuyNode(x);
		pq->ptail = pq->ptail->next;
	}
	pq->size++;
}



bool QueueEmpty(Q* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == NULL && pq->ptail == NULL;
}
void QueuePop(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	//只有一个节点的情况,避免ptail变成野指针
	if (pq->ptail == pq->phead)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}



QDataType QueueFront(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}


QDataType QueueBack(Q* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}


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

	//不规范且时间复杂度O(n)
	//int size = 0;
	//QNode* pcur = pq->phead;
	//while (pcur)
	//{
	//	size++;
	//	pcur = pcur->next;
	//}
	//return size;


	return pq->size;

}



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

以上就是关于队列的概念，结构和用链表方式实现队列的讲解，欢迎各位大佬前来支持斧正！！！

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