【数据结构】队列（Queue）的实现 -- 详解_队列代码

一、队列的概念及结构

1、概念

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)。

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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。

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2、结构

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（1）队列的顺序存储结构

• 入队，不需要移动任何元素，时间复杂度为 O(1) 。
• 出队，所有元素需要往前移动，时间复杂度为 O(N) 。

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（2）队列的链表存储结构

首先我们定义两个指针，队头指针指向第一个节点，队尾指针指向尾节点。

• 入队（尾插），时间复杂度为 O(1) 。
• 出队（头删），时间复杂度为 O(1) 。

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 二、队列的实现

如果使用数组删除队头数据，再挪动数据效率为 O(N)，不适合。 选择用单向链表来完成队列的实现更好，可以发现头删和尾插效率都很高，而双向链表在这里发挥不出很大的作用。

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1、创建文件

• test.c（主函数、测试队列各个接口功能）
• Queue.c（队列接口函数的实现）
• Queue.h（队列的类型定义、接口函数声明、引用的头文件）

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2、Queue.h 头文件代码

// Queue.h
// 链式结构：表示队列
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdbool.h> //bool
#include<assert.h> // assert
#include<stdlib.h> // malloc
 
typedef int QDataType;
 
typedef struct QueueNode // 队列节点结构
{ 
    struct QueueNode* next; // 节点指针
    QDataType data; // 节点数据
}QueueNode;
 
typedef struct Queue // 队列的链式结构
{ 
    QueueNode* head;  //队头指针
	QueueNode* tail;  //队尾指针
}Queue; 
 
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq); 
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType data); 
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* pq); 
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq); 
// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq); 
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq); 
// 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* pq); 

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三、Queue.c 中各个接口函数的实现

1、初始化队列

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

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2、队列的销毁

// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QueueNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
    cur = NULL;
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

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3、队尾入队列（尾插）

// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode)); // 动态申请一个节点
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL; // 尾节点next指针置空
 
	if (pq->head == NULL) // 队列为空
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else // 队列不为空
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode; // 更新队尾指针
	}
}

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4、队头出队列（头删）

// 队头出队列
// 写法一：
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
 
	//温柔处理方式：
	/* if(pq->head == NULL)
	    return; */
 
	//暴力处理方式：
	assert(!QueueEmpty(pq));
 
	QueueNode* next = pq->head->next; // 记录头节点的直接后继
	free(pq->head); // 释放头节点
	pq->head = next; // 更新队头指针
	if (pq->head == NULL) // 队列中只有一个节点
	{
		pq->tail = NULL;
	}
}
 
// 写法二：
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
 
	//暴力处理方式：
	assert(!QueueEmpty(pq));
 
    if(pq->head->next == NULL) // 一个节点
    {
        free(pq->head);
        pq->head = pq->tail = NULL;
    }
    else // 多个节点
    {   
	    QueueNode* next = pq->head->next; // 记录头节点的直接后继
	    free(pq->head); // 释放头节点
	    pq->head = next; // 更新队头指针
    }
}

注意：链表只有一个节点时，要单独处理，否则可能会造成 pq->tail 野指针的情况。 

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5、获取队列头部元素

// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

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6、获取队列队尾元素

// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

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7、获取队列中有效元素个数

// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	int n = 0;
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		n++;
		cur = cur->next;
	}
	return n;
}

如果频繁调用这个接口函数，可以在 QueuePtr 中加一个 size 来记录数据的个数。 

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8、检查队列是否为空

// 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* pq);
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL && pq->tail == NULL;
}

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四、整合代码

// Queue.c
#include "Queue.h"
 
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
}
 
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QueueNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
    cur = NULL;
	pq->head = pq->tail = NULL;
}
 
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode)); // 动态申请一个节点
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL; // 尾节点next指针置空
 
	if (pq->head == NULL) // 队列为空
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else // 队列不为空
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode; // 更新队尾指针
	}
}
 
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
 
	QueueNode* next = pq->head->next; // 记录头节点的直接后继
	free(pq->head); // 释放头节点
	pq->head = next; // 更新队头指针
	if (pq->head == NULL) // 队列中只有一个节点
	{
		pq->tail = NULL;
	}
}
 
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}
 
// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}
 
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	int n = 0;
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		n++;
		cur = cur->next;
	}
	return n;
}
 
// 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* pq);
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL && pq->tail == NULL;
}

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五、测试队列的功能

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六、拓展 

实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。环形队列可以使用数组实现，也可以使用循环链表实现。

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1、空的循环队列

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2、满的循环队列