【数据结构】队列及其实现

news2025/1/20 5:51:47

😎前言

认识队列

队列的初始化

队列判空

数据队尾入队

数据队头出队

取队头数据

取队尾数据

队列数据的个数

队列销毁

总结

😎前言

上次我们学习了栈及其实现，当然也少不它的好兄弟队列啦，今天我们开始队列的学习
队列的性质是先进先出，就比如车辆进出隧道一般，它也是一种逻辑结构，依靠数组或者链表实现
在一些算法题我们也会运用到队列的进一步思想——优先队列（由二叉树实现），等到二叉树章节会给大家讲解的。

认识队列

队列和栈一样都是逻辑结构——由数组或者链表加以限制条件而成的，它的逻辑是先入先出，所以入数据是从队尾入，出数据就是从队头出

常见的应用就是银行的取号机，防止有人插队

可以发现如果用数组模拟队列的话，出队的时候就要频繁移动数组内的数据，不是很方便，也要考虑到扩容的问题，所以本篇选取链表的形式来实现队列

队列的初始化

队列本质上就是一个单链表，单链表又是由一个个节点组成，所以自然而然我们要先定义它的结点

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

队列还需要一个指针指向它的队头，一个指针指向队尾，还有一个变量记录存储的数据的个数
所以此处可以选择再用一个结构体对其进行封装，这样操作起来就会简单许多

上图就是队列的基本框架了

typedef struct Queue
{
	QNode* front;
	QNode* rear;
	int size;
}Queue;

有了基本结构，那么首先肯定还是对其就行初始化，这里只需要将两个指针都置空，size置0即可

老生常谈的问题，对于函数接口接受的队列来说不能为空，否则就相当于传了一个还没建立好的队列进去，直接assert断言暴打，这是每个函数接口都要用到的，下文就不赘述了

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

	q->front = q->rear = NULL;
	q->size = 0;
}

队列判空

在取数据以及数据出队的时候，往往需要对队列进行判空操作，所以我们先将其封装成一个函数接口
可以提高代码的可读性
size及表示存储的数据个数，所以我们返回size==0这个条件判断表达式即可

以下为函数接口实现：

// 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 
bool QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);

	return q->size == 0;
}

数据队尾入队

因为队列是不带头单向不循环链表，队尾入队就是给单链表尾插结点，所以链表学的扎实的同学应该可以反应过来这里需要分类讨论一下
一是队列为空的时候，这个时候插入数据就要改变front和rear指针的指向
二是链表不为空的时候，这个时候只需要改变front指针的指向
先malloc出新结点再进行插入操作
size记得++

以下为函数接口实现：

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);

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

	if (q->rear == NULL)
	{
		assert(q->front==NULL);
		q->front = q->rear = newnode;
	}
	else
	{
		q->rear->next = newnode;
		q->rear = newnode;
	}
	q->size++;
}

数据队头出队

和队尾入队一样，此处仍需要分类讨论
一是普通情况，队头出队就是头删，先记录front的下一个结点next，然后free掉front指针指向的内存空间，然后再将next赋给front
二是只剩一个结点的时候，因为我们值移动front指针，所以操作完rear指针会依然指向被释放的那块空间，就存在野指针的问题
记得size需要--

以下为函数接口实现：

// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));

	//只有一个结点
	if (q->front->next == NULL)
	{
		free(q->front);
		q->front = q->rear = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = q->front->next;
		free(q->front);
		q->front = next;
	}
	q->size--;
}

取队头数据

如果队列为空，那么就不能返回数据，所以需要assert断言一下，这里也就用到了QueueEmpty函数接口啦
返回的是结点里存储的数据的值，所以函数返回类型是QDataType，不要思维固化地认为是int
返回front->val即可

以下为函数接口实现：

QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));

	return q->front->val;
}

取队尾数据

如果队列为空，那么就不能返回数据，所以需要assert断言一下，这里也就用到了QueueEmpty函数接口啦
返回的是结点里存储的数据的值，所以函数返回类型是QDataType，不要思维固化地认为是int
返回rear->val即可

以下为函数接口实现：

// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));

	return q->rear->val;
}

队列数据的个数

上文提到了size代表存储的数据的个数，这里直接返回size即可

以下为函数接口实现：

// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);

	return q->size;
}

队列销毁

本质上也就是单链表的销毁，在free掉一个结点前应该先记录其下一个结点
最后的front和rear指针置空，size置0

以下为函数接口实现：

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

	QNode* cur = q->front;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	q->front = q->rear = NULL;
	q->size = 0;
}