第 3 章栈和队列（单链队列）

news2025/4/12 9:01:22

1. 背景说明

队列(queue)是一种先进先出(first in first out,缩为 FIFO)的线性表。它只允许在表的一端进行插入，而在另一端删除元素。

2. 示例代码

1）status.h

/* DataStructure 预定义常量和类型头文件 */

#ifndef STATUS_H
#define STATUS_H

/* 函数结果状态码 */
#define TRUE 					1			/* 返回值为真 */
#define FALSE 					0			/* 返回值为假 */
#define RET_OK 					0			/* 返回值正确 */
#define INFEASIABLE    		   	2			/* 返回值未知 */
#define ERR_MEMORY     		   	3			/* 访问内存错 */
#define ERR_NULL_PTR   			4			/* 空指针错误 */
#define ERR_MEMORY_ALLOCATE		5			/* 内存分配错 */
#define ERR_NULL_STACK			6			/* 栈元素为空 */
#define ERR_PARA				7			/* 函数参数错 */
#define ERR_OPEN_FILE			8			/* 打开文件错 */
#define ERR_NULL_QUEUE			9			/* 队列为空错 */
typedef int Status;							/* Status 是函数的类型,其值是函数结果状态代码，如 OK 等 */
typedef int Bollean;						/* Boolean 是布尔类型,其值是 TRUE 或 FALSE */

#endif // !STATUS_H

2) linkQueue.h

/* 单链队列 —— 队列的链式存储结构头文件 */

#ifndef LINKQUEUE_H
#define LINKQUEUE_H

#include "status.h"

typedef int QElemType;

typedef struct QNode {
	QElemType data;
	struct QNode *next;
} QNode, *QueuePtr;

typedef struct {
	QueuePtr front, rear;
} LinkQueue;

/* 构造一个空队列 Q */
Status InitQueue(LinkQueue *Q);

/* 销毁队列 Q(无论空否均可) */
Status DestroyQueue(LinkQueue *Q);

/* 将 Q 清为空队列 */
Status ClearQueue(LinkQueue *Q);

/* 若 Q 为空队列,则返回 TRUE,否则返回 FALSE */
Bollean QueueEmpty(const LinkQueue *Q);

/* 求队列的长度 */
int QueueLength(LinkQueue *Q);

/* 若队列不空,则用 e 返回 Q 的队头元素,并返回 OK, 否则返回 ERROR */
Status GetQueueHead(const LinkQueue *Q, QElemType *e);

/* 插入元素 e 为 Q 的新的队尾元素 */
Status EnQueue(LinkQueue *Q, QElemType e);

/* 若队列不空,删除 Q 的队头元素,用 e 返回其值,并返回 OK, 否则返回 ERROR */
Status DeQueue(LinkQueue *Q, QElemType *e);

/* 从队头到队尾依次对队列 Q 中每个元素调用函数 vi() */
Status QueueTraverse(const LinkQueue *Q, void(*vi)(QElemType));

#endif // !LINKQUEUE_H

3) linkQueue.c

/* 单链队列 —— 队列的链式存储结构源文件 */

#include "linkQueue.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/* 构造一个空队列 Q */
Status InitQueue(LinkQueue *Q)
{
	Q->front = Q->rear = (QueuePtr)malloc(sizeof(QNode));
	if (!Q->front) {
		printf("FuncName: %-15s Line: %-5d ErrorCode: %-3d\n", __func__, __LINE__, ERR_MEMORY_ALLOCATE);
		return ERR_MEMORY_ALLOCATE;
	}

	Q->front->next = NULL;

	return RET_OK;
}

/* 销毁队列 Q(无论空否均可) */
Status DestroyQueue(LinkQueue *Q)
{
	while (Q->front) {
		Q->rear = Q->front->next;
		free(Q->front);
		Q->front = Q->rear;
	}

	return RET_OK;
}

/* 将 Q 清为空队列 */
Status ClearQueue(LinkQueue *Q)
{
	Q->rear = Q->front;
	QueuePtr p = Q->front->next;
	Q->front->next = NULL;
	QueuePtr q = NULL;
	while (p) {
		q = p;
		p = p->next;
		free(q);
	}

	return RET_OK;
}

/* 若 Q 为空队列,则返回 TRUE,否则返回 FALSE */
Bollean QueueEmpty(const LinkQueue *Q)
{
	return (Q->front == Q->rear) ? TRUE : FALSE;
}

/* 求队列的长度 */
int QueueLength(LinkQueue *Q)
{
	int length = 0;
	QueuePtr p = Q->front;
	while (p != Q->rear) {
		++length;
		p = p->next;
	}

	return length;
}

/* 若队列不空,则用 e 返回 Q 的队头元素(队头元素为 front 的下一个元素), 并返回 OK, 否则返回 ERROR */
Status GetQueueHead(const LinkQueue *Q, QElemType *e)
{
	if (Q->front == Q->rear) {
		printf("FuncName: %-15s Line: %-5d ErrorCode: %-3d\n", __func__, __LINE__, ERR_NULL_QUEUE);
		return ERR_NULL_QUEUE;
	}

	*e = Q->front->next->data;

	return RET_OK;
}

static QueuePtr MakeNewQueueNode(QElemType e)
{
	QueuePtr p = (QueuePtr)malloc(sizeof(QNode));
	if (!p) {
		printf("FuncName: %-15s Line: %-5d ErrorCode: %-3d\n", __func__, __LINE__, ERR_MEMORY_ALLOCATE);
		return NULL;
	}

	p->data = e;
	p->next = NULL;

	return p;
}

/* 插入元素 e 为 Q 的新的队尾元素 */
Status EnQueue(LinkQueue *Q, QElemType e)
{
	QueuePtr p = MakeNewQueueNode(e);
	if (p == NULL) {
		printf("FuncName: %-15s Line: %-5d ErrorCode: %-3d\n", __func__, __LINE__, ERR_NULL_PTR);
		return ERR_NULL_PTR;
	}

	Q->rear->next = p;
	Q->rear = p;

	return RET_OK;
}

/* 若队列不空,删除 Q 的队头元素,用 e 返回其值,并返回 OK, 否则返回 ERROR */
Status DeQueue(LinkQueue *Q, QElemType *e)
{
	if (Q->front == Q->rear) {
		printf("FuncName: %-15s Line: %-5d ErrorCode: %-3d\n", __func__, __LINE__, ERR_NULL_QUEUE);
		return ERR_NULL_QUEUE;
	}

	QueuePtr p = Q->front->next;
	*e = p->data;
	Q->front->next = p->next;
	if (Q->rear == p) {
		Q->rear = Q->front;
	}

	free(p);

	return RET_OK;
}

/* 从队头到队尾依次对队列 Q 中每个元素调用函数 vi() */
Status QueueTraverse(const LinkQueue *Q, void(*vi)(QElemType))
{
	QueuePtr p = Q->front->next;
	while (p) {
		vi(p->data);
		p = p->next;
	}

	return RET_OK;
}

4) auxiliary.h

/* 辅助函数头文件 */

#ifndef AUXILIARY_H
#define AUXILIARY_H

#include "linkQueue.h"

/* 打印栈元素 */
void Print(QElemType e);

#endif // !AUXILIARY_H

5) auxiliary.c

/* 辅助函数实现源文件 */

#include "auxiliary.h"
#include <stdio.h>

/* 打印栈元素 */
void Print(QElemType e)
{
	printf("%d ", e);
}

6) main.c

/* 入口程序源文件 */

#include "status.h"
#include "auxiliary.h"
#include "linkQueue.h"
#include <stdio.h>

int main(void)
{
	LinkQueue Q;
	Status ret = InitQueue(&Q);
	if (ret == RET_OK) {
		printf("Initialize queue success!\n");
	}

	printf("The queue is %s\n", (QueueEmpty(&Q) == TRUE) ? "empty" : "not empty");
	printf("The length of the queue is %d\n", QueueLength(&Q));
	EnQueue(&Q, -5);
	EnQueue(&Q, 5);
	EnQueue(&Q, 10);
	printf("After insert 3 elements, the length of the queue is %d\n", QueueLength(&Q));
	printf("The queue is %s\n", (QueueEmpty(&Q) == TRUE) ? "empty" : "not empty");
	printf("The elements of the queue is: ");
	QueueTraverse(&Q, Print);
	printf("\n");
	QElemType e;
	ret = GetQueueHead(&Q, &e);
	if (ret == RET_OK) {
		printf("The element of the head of the queue is %d\n", e);
	}

	DeQueue(&Q, &e);
	printf("Delete the element of the head of the queue %d\n", e);
	ret = GetQueueHead(&Q, &e);
	if (ret == RET_OK) {
		printf("The new element of the head of the queue is %d\n", e);
	}

	ClearQueue(&Q);
	printf("After clear the queue, Q.front = %p, Q.rear = %p, Q.front->next = %p\n",
		Q.front, Q.rear, Q.front->next);
	DestroyQueue(&Q);
	printf("After destroy the queue, Q.front = %p, Q.rear = %p\n", Q.front, Q.rear);

	return 0;
}

3. 输出示例