数据结构C语言描述5(图文结合)--队列，数组、链式、优先队列的实现

前言

这个专栏将会用纯C实现常用的数据结构和简单的算法；
有C基础即可跟着学习，代码均可运行；
准备考研的也可跟着写，个人感觉，如果时间充裕，手写一遍比看书、刷题管用很多，这也是本人采用纯C语言实现的原因之一；
欢迎收藏 + 关注，本人将会持续更新。

文章目录

- 什么是队列
- 队列基本操作
- 队列的数组实现
- 队列的链表实现
- 双端队列
- 优先队列简介

什么是队列

队列(Queue)也是一种运算受限的线性表，它限定在表的一端进行插入操作，在表的另一端进行删除操作。队列的结构特性是：先进先出FIFO ( First In First Out)。队列又被称为先进先出表。

队尾:允许插入的一端称作队尾(Rear)

队首:允许删除的一端称作队首(Front)

在这里插入图片描述

队列为空的时候队头front和队尾tail都是0的位置，入队的时候队尾tail往后移动，出队的时候front往队列tail靠拢

因为front的移动，导致数组队列存在伪溢出现象，可以通过循环队列的方式解决伪溢出问题。

伪溢出：不是实际的的内存越界，只是队头下标比队尾下标前。

在这里插入图片描述

链式队列可以通过无表头链表记录头尾的方式实现，插入队列用表尾法插入，遍历表头法删除写法

队列基本操作

创建栈
入队
出队
获取队头元素
队列是否为空
队列元素个数

队列的数组实现

数组队列，就是数组模拟队列，实现方法有很多，这里也只是一种方法。

🚸队列封装

数组队列实现是用过移动队头、队尾的下标实现的，故核心在于：front、tail的理解。
数组采用扩容的方法存储数组。

typedef int DataType;
typedef struct Queue {
	DataType* data;
	int front, tail;
	int capacity;
}Queue;

🖍 创建队列(初始化)

这一步就是创建队列，为队列申请一块内存，并且初始化队列，注意，这里需要将tail赋值为-1，为什么呢？这个可以随着看代码体会。

Queue* create_queue()
{
	Queue* queue = (Queue*)calloc(1, sizeof(Queue));
	assert(queue);
	queue->tail = -1;
	return queue;
}

🌓 入队

++tail，采用后置++的方法从队尾巴插入，这里应该就能理解为什么要将tail赋值为-1；
注意：容量不够需要扩容。

void push(Queue* queue, DataType data)
{
	assert(queue);

	// 扩容
	if (queue->front == -1 || (queue->front >= queue->capacity)) {
		DataType* temp = (DataType*)realloc(queue->data, queue->capacity + 10);
		assert(temp);

		queue->data = temp;

		queue->capacity += 10;
	}

	queue->data[++queue->tail] = data;
}

✴️ 出队

就是移动front，因为数组无法单独删除一个元素；
注意：队列为空的情况，front>tail

void pop(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	if (queue->front <= queue->tail) {
		queue->front++;
	}
}

🤕 获取对头元素

这个就是通过数组下标直接获取即可。

DataType top(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->data[queue->front];
}

🚄 万金油函数：队列大小、是否为空

获取大小：注意获取的是大小，不是下标；
判断是否为空：就是对头和队尾的下标对比。

int size(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->tail + 1;
}

bool empty(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->tail < queue->front;
}

⚗️ 总代码

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

typedef int DataType;

typedef struct Queue {
	DataType* data;
	int front, tail;
	int capacity;
}Queue;

Queue* create_queue()
{
	Queue* queue = (Queue*)calloc(1, sizeof(Queue));
	assert(queue);
	queue->tail = -1;
	return queue;
}

void push(Queue* queue, DataType data)
{
	assert(queue);

	// 扩容
	if (queue->front == -1 || (queue->front >= queue->capacity)) {
		DataType* temp = (DataType*)realloc(queue->data, queue->capacity + 10);
		assert(temp);

		queue->data = temp;

		queue->capacity += 10;
	}

	queue->data[++queue->tail] = data;
}

DataType top(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->data[queue->front];
}

void pop(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	if (queue->front <= queue->tail) {
		queue->front++;
	}
}

int size(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->tail + 1;
}

bool empty(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->tail < queue->front;
}

int main()
{
	Queue* queue = create_queue();

	for (int i = 1; i <= 10; i++) {
		push(queue, i);
	}

	while (!empty(queue)) {
		printf("%d ", top(queue));
		pop(queue);
	}

	return 0;
}

队列的链表实现

链表这里采用的是无头单链表实现，其中：

入栈：插入队头
出栈：弹出队头

🌛 队列封装

这个部分就是正常的节点封装，队列封装。

// 无头链表，封装写法，尾插法

typedef int DataType;

typedef struct Node {
	DataType* data;
	struct Node* next;
}Node;

typedef struct Queue {
	Node* queueHead;
	// Node* tailHead;     // 添加这个节点会更简单一点
	int size;
}Queue;

👤 创建队列(初始化)

这一部分也是正常的创建节点、队列，然后申请内存。

Node* create_node(DataType data)
{
	Node* node = (Node*)calloc(1, sizeof(Node));
	assert(node);
	node->data = data;
	return node;
}

Queue* create_queue()
{
	Queue* queue = (Queue*)calloc(1, sizeof(Queue));
	assert(queue);
	return queue;
}

📌 入队

入队就是在链表头插入，但是要注意，再插入的时候需要判断是否为空表：

空表：插入节点作为头；
不为空，则头插。

void push(Queue* queue, DataType data)
{
	assert(queue);

	if (queue->size == 0) {
		queue->queueHead = create_node(data);
	}
	else {
		Node* temp = queue->queueHead;
		while (temp->next) {
			temp = temp->next;
		}
		temp->next = create_node(data);
	}
	queue->size++;
}

🏤 出队

出队就是弹出头节点，但是要注意提前判断链表是否为空的情况。

void pop(Queue* queue)
{
	assert(queue);
	if (queue->size == 0) {
		return;
	}

	Node* temp = queue->queueHead;
	queue->queueHead = temp->next;
	free(temp);
	temp = NULL;

	queue->size--;
}

🍿 获取对头元素

这个就是获取头节点的元素值，要注意的是空表的情况，这里空表是直接断言了。

DataType top(Queue* queue)
{
	assert(queue);
	assert(queue->size != 0);   // 队列为空，不能获取栈顶元素
	
	return queue->queueHead->data;
}

🔌 万金油函数：队列大小、是否为空

这个没有什么好说的，看代码吧。

bool empty(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->size == 0;
}

int size(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->size;
}

⏰ 总代码

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

// 无头链表，封装写法，尾插法

typedef int DataType;

typedef struct Node {
	DataType* data;
	struct Node* next;
}Node;

typedef struct Queue {
	Node* queueHead;
	// Node* tailHead;     // 添加这个节点会更简单一点
	int size;
}Queue;

Node* create_node(DataType data)
{
	Node* node = (Node*)calloc(1, sizeof(Node));
	assert(node);
	node->data = data;
	return node;
}

Queue* create_queue()
{
	Queue* queue = (Queue*)calloc(1, sizeof(Queue));
	assert(queue);
	return queue;
}

void push(Queue* queue, DataType data)
{
	assert(queue);

	if (queue->size == 0) {
		queue->queueHead = create_node(data);
	}
	else {
		Node* temp = queue->queueHead;
		while (temp->next) {
			temp = temp->next;
		}
		temp->next = create_node(data);
	}
	queue->size++;
}

DataType top(Queue* queue)
{
	assert(queue);
	assert(queue->size != 0);   // 队列为空，不能获取栈顶元素
	
	return queue->queueHead->data;
}

void pop(Queue* queue)
{
	assert(queue);
	if (queue->size == 0) {
		return;
	}

	Node* temp = queue->queueHead;
	queue->queueHead = temp->next;
	free(temp);
	temp = NULL;

	queue->size--;
}

bool empty(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->size == 0;
}

int size(Queue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->size;
}

int main()
{
	Queue* queue = create_queue();

	for (int i = 1; i <= 10; i++) {
		push(queue, i);
	}

	while (!empty(queue)) {
		printf("%d ", top(queue));
		pop(queue);
	}

	return 0;
}

双端队列

双端队列（Deque）是一种具有队列和栈性质的数据结构，它允许我们从两端添加或删除元素。这种灵活性使得双端队列在多种场景下都非常有用。

双端队列支持的基本操作包括：

入队：在队列的前端或后端添加元素。
出队：从队列的前端或后端移除元素。
访问：访问队列的前端或后端元素而不移除它们。

🉑 实现：

采用无头双向链表实现

📦 节点封装

这个就是封装数据节点，双向链表节点，和之前一样，代码如下：

typedef int DataType;

typedef	struct Node {
	DataType data;
	struct Node* prev;
	struct Node* next;
}Node;

typedef struct Deque {
	Node* head;
	Node* tail;
	int count;
}Deque;

📇 初始化节点

这个也是和上面一样，封装创建节点、创建队列的节点。

Node* create_node(DataType data)
{
	Node* node = (Node*)calloc(1, sizeof(Node));
	assert(node);
	node->data = data;
	return node;
}

Deque* create_deque()
{
	Deque* deque = (Deque*)calloc(1, sizeof(Deque));
	assert(deque);
	return deque;
}

🎧 头插

头插这个要注意的就是判断链表是否为空。

void push_front(Deque* deque, DataType data)
{
	assert(deque);

	if (deque->count == 0) {
		deque->head = deque->tail = create_node(data);
	}
	else {
		Node* node = create_node(data);
		node->next = deque->head;
		deque->head->prev = node;
		deque->head = node;
	}
	deque->count++;
}

🎉 尾插

尾插这个也是要注意的就是判断链表是否为空。

void push_back(Deque* deque, DataType data)
{
	assert(deque);

	if (deque->count == 0) {
		deque->head = deque->tail = create_node(data);
	}
	else {
		Node* node = create_node(data);
		node->prev = deque->tail;
		deque->tail->next = node;
		deque->tail = node;
	}
	deque->count++;
}

👟 头删

删除要注意几个点：

空不能删；
删除后，如果是一个节点删除，则要将指向尾节点指针赋值为NULL，如果不是，则需要将新的对头元素前指针赋值为NULL。

void pop_front(Deque* deque)
{
	assert(deque);
	assert(deque->count != 0);   // 空，不能弹出

	Node* temp = deque->head;
	deque->head = temp->next;
	free(temp);
	temp = NULL;

	(deque->head) ? (deque->head->prev = NULL) : (deque->tail = NULL);   // 这个写法

	deque->count--;
}

🚖 尾删

删除要注意几个点：

空不能删；
删除后，如果是一个节点删除，则要将指向头节点指针赋值为NULL，如果不是，则需要将新队尾的下一个指针赋值为NULL。

void pop_tail(Deque* deque)
{
	assert(deque);
	assert(deque->count != 0);

	Node* temp = deque->tail;
	deque->tail = temp->prev;

	(deque->tail) ? (deque->tail->next = NULL) : (deque->head = NULL);

	free(temp);
	temp = NULL;

	deque->count--;
}

📑 获取对头、队尾大小

这个就是获取对于节点的元素值，但是要注意的是没有元素的情况。

DataType top_front(Deque* deque)
{
	assert(deque);
	assert(deque->count != 0);
	return deque->head->data;
}

DataType top_tail(Deque* deque)
{
	assert(deque);
	assert(deque->count != 0);

	return deque->tail->data;
}

🆎 总代码

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

/*
C++: deque
实现：双向链表
*/

typedef int DataType;

typedef	struct Node {
	DataType data;
	struct Node* prev;
	struct Node* next;
}Node;

typedef struct Deque {
	Node* head;
	Node* tail;
	int count;
}Deque;

Node* create_node(DataType data)
{
	Node* node = (Node*)calloc(1, sizeof(Node));
	assert(node);
	node->data = data;
	return node;
}

Deque* create_deque()
{
	Deque* deque = (Deque*)calloc(1, sizeof(Deque));
	assert(deque);
	return deque;
}

void push_back(Deque* deque, DataType data)
{
	assert(deque);

	if (deque->count == 0) {
		deque->head = deque->tail = create_node(data);
	}
	else {
		Node* node = create_node(data);
		node->prev = deque->tail;
		deque->tail->next = node;
		deque->tail = node;
	}
	deque->count++;
}

void push_front(Deque* deque, DataType data)
{
	assert(deque);

	if (deque->count == 0) {
		deque->head = deque->tail = create_node(data);
	}
	else {
		Node* node = create_node(data);
		node->next = deque->head;
		deque->head->prev = node;
		deque->head = node;
	}
	deque->count++;
}

// 简单代码的思路，记住
void pop_front(Deque* deque)
{
	assert(deque);
	assert(deque->count != 0);   // 空，不能弹出

	Node* temp = deque->head;
	deque->head = temp->next;
	free(temp);
	temp = NULL;

	(deque->head) ? (deque->head->prev = NULL) : (deque->tail = NULL);   // 这个写法

	deque->count--;
}

void pop_tail(Deque* deque)
{
	assert(deque);
	assert(deque->count != 0);

	Node* temp = deque->tail;
	deque->tail = temp->prev;

	(deque->tail) ? (deque->tail->next = NULL) : (deque->head = NULL);

	free(temp);
	temp = NULL;

	deque->count--;
}

DataType top_front(Deque* deque)
{
	assert(deque);
	assert(deque->count != 0);
	return deque->head->data;
}

DataType top_tail(Deque* deque)
{
	assert(deque);
	assert(deque->count != 0);

	return deque->tail->data;
}

void print_deque(Deque* deque)
{
	assert(deque);

	Node* temp = deque->head;

	while (temp != NULL) {
		printf("%d ", temp->data);
		temp = temp->next;
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	Deque* deque = create_deque();

	for (int i = 1; i <= 10; i++) {
		push_front(deque, i);
	}

	print_deque(deque);

	for (int i = 20; i <= 30; i++) {
		push_back(deque, i);
	}

	print_deque(deque);

	pop_front(deque);
	pop_tail(deque);

	print_deque(deque);

	return 0;
}

优先队列简介

优先队列，我们第一反应是堆，没错，堆应该是应用最广泛的优先队列，但是从优先队列的定义来看，堆也只是其一种实现方式，优先队列的定义是：按照权值出队。

这里实现了一个简单的优先队列，出队的时候按照优先权最高出队，代码如下：

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

// 优先队列，按照权值出队，这里只是实现一个简易版本
#define MAX 100

typedef struct Data {
	int key;    // 比较准则
	char name[20];
}Data;

typedef struct PriQueue {
	Data data[MAX];    // 简单版本，不扩容
	int curSize;
}PriQueue;

PriQueue* create_priqueue()
{
	PriQueue* queue = (PriQueue*)calloc(1, sizeof(PriQueue));
	assert(queue);
	queue->curSize = -1;  /// 头为 -1
	return queue;
}

bool empty(PriQueue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->curSize == -1;
}

size_t size(PriQueue* queue)
{
	assert(queue);

	return queue->curSize + 1;
}

void push(PriQueue* queue, Data data)
{
	assert(queue);
	if (queue->curSize == MAX)
		return;

	queue->data[++queue->curSize] = data;
}

// 这里规定：权重最大的优先权最高，故弹出优先权最大的
void pop(PriQueue* queue, Data* temp)   // temp：存储需弹出的元素
{
	assert(queue);

	Data t = queue->data[0];
	int max = 0;
	for (int i = 1; i <= queue->curSize; i++) {
		if (queue->data[i].key > t.key) {
			t = queue->data[i];
			max = i;
		}
	}
	// 存储
	*temp = queue->data[max];

	for (int i = max; i <= queue->curSize - 1; i++) {
		queue->data[i] = queue->data[i + 1];
	}

	queue->curSize--;
}

int main()
{
	PriQueue* queue = create_priqueue();

	Data arr[5] = { {1,"小美"},{5,"小丽"},{3,"小芳"},{4,"coco"},{2,"花花"} };

	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		push(queue, arr[i]);
	}

	while (!empty(queue)) {
		Data temp;
		pop(queue, &temp);
		printf("key: %d, value: %s\n", temp.key, temp.name);
	}

	return 0;
}