【初级数据结构】队列

前言

  前面我们已经学习了栈，栈是一种后进先出的结构，即LIFO，今天就来学习了解与之对应的队列，它则是先进先出的结构。

队列的概念及结构

  队列：也是一种特殊的线性表，它只允许在一端插入数据操作，另一端删除数据的操作。
  队头：进行删除操作的一端
  队尾：进行插入操作的一端
  空队列：没有元素的队列
  入队：插入元素
  出队：删除元素
  队列同样不能随机访问，它遵循先进先出FIFO(First In First Out)的原则。
  举个简单的例子，我们在生活中处处需要排队，都知道先到先得，先排队先办理。

队列的实现

  对于栈，我们使用的是顺序表来实现，是因为栈只有一端进行插入和删除数据，应用顺序表的尾插尾删是非常适用的，并且顺序表的缓存利用率更高，所以我们更推荐使用顺序栈。
  而对于队列，队列同样有顺序表示和链式表示两种实现方式。但是，队列是在队头删除，队尾插入，如果使用顺序表来实现队头删除，则需要移动大量节点，时间复杂度较高，因此并不推荐使用。
  所以我们在实现队列时使用链式队列更合适。

队列的结构

  既然我们确定了要使用链式存储结构来表示栈，则队列也同样由一个个节点来组成，和链表一样，我们可以得到每个节点所对应的结构体代码：

typedef int QDateType;
typedef struct QueueNode
{
	QDateType data;  //节点数据
	struct QueuetNode* next;  //指针变量用来保存下一个节点的地址
}QNode;
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  根据链表的结构，我们在链表初始化时用的一级指针，在链表的各种增删改操作中都用的二级指针进行传址调用，在队列中的操作同样如此。但是在进行尾插，取队尾数值，以及取出队列元素个数时，我们发现就只能通过不断遍历找到队尾，极其不方便，因此我们增加一个队尾指针来帮助我们简化过程中代码。

  例如我们需要进行入队列的操作，即尾插链表时，则可以这样表示：

void QueuePush(QNode** phead, QNode** ptail);
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  但是每个函数都这么表示，比较麻烦，而且也不能很好的解决取队列元素个数的问题，因此我们将其封装成一个结构体，并且把size（队列中元素个数）包含进去，只要入队列就加加，出队列就减减，即简化了代码，又让思路更加清晰。
  封装的结构体如下：

typedef struct Queue
{
    Queue* phead;
    Queue* ptail;
    int size;
}Queue;
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  此时，入队列的函数声明则可以变为如下：

void QueuePush(Queue* pq);//我们想要修改结构体中的内容，就要传地址，用结构体指针接收
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队列的初始化

  初始化按照前面链表的初始化即可，代码如下：

void QueueInit(Queue* pq)
{
    assert(pq);//传入的指针不能为空
    pq->phead = NULL;//初始化先将其置为空，在入队列时再其判断插入节点
    pq->ptail = NULL;
    pq->size = 0;
}
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队列的销毁

  有初始化就一定要有销毁，因为节点是malloc出来的，必须free掉，否则会内存泄漏。代码如下：

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    QNode* cur = pq->phead;
    while(cur)
    {
        QNode* next = cur->next;
        free(cur);
        cur = next;
    }
    pq->phead = pq->ptail = NULL;
    pq->size = 0;
}
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入队

  入队是要从队尾插入节点，也就是链表的尾插，基本过程和链表的尾插一样，也同样先要判断一下队列是否为空，分情况插入。

代码如下：

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
    assert(pq);
    QNode* tmp = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
    if(tmp == NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        return;
    }
    tmp->data = x;
    tmp->next = NULL;
    if(pq->phead == NULL)
    {
        pq->phead = pq->ptail = tmp;
    }
    else
    {
        pq->ptail->next = tmp;
        pq->ptail = tmp;
    }
    pq->size++;
}
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注意：
在判断队列中是否有节点时，直接判断pq->phead指向是否为空即可
千万不要直接写成：
if (pq->phead == pq->ptail == NULL)
{
pq->phead = pq->ptail = newnode;
}
因为初始化的时候，phead和ptail虽然都置为了空，但是这两个指针的内存是不相同的，不能直接相等。

出队

  出队是将队头的元素删除，即链表的头删，只要释放第一个节点，然后将phead指向下一个节点即可。

当队列中只有一个元素时，phead和ptail同时指向第一个节点，删除队头元素，phead往下走，此时phead指向空，第一个节点被释放了，则ptail就变成了野指针，所以此时我们同样要将ptail置为空。

代码如下：

void QueuePop(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    assert(pq->phead);//队列不能为空，否则会报错
    if(pq->phead->next == NULL)//队列只有一个节点
    {
        free(pq->phead);
        pq->phead = pq->ptail = NULL;
    }
    else
    {
        QNode* next = pq->phead->next;
        free(pq->phead);
        pq->phead = next;
    }
    pq->size--;
}
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取队头元素

  取队头元素就很简单了，只要将对头节点的值取出来即可，代码如下：

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);
	return pq->phead->val;
}
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取队尾元素

  取队尾元素的方式和取队头元素一样，代码如下：

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);
	return pq->ptail->val;
}
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判断队列是否为空

  前面我们定义了size，并在插入节点时进行了加加，删除节点时进行了减减，因此只要判断size是否为0，就能判断队列是否为空。代码如下：

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	/*if (pq->size == 0)
		return true;
	else
		return false;*/
	return pq->size == 0;//简化写法
}
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取出队列中元素个数

  取队列中元素个数也很简单，只要返回size的值即可。代码如下：

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size;
}
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代码测试

  有关队列的操作就写完了，但也不要忘了测试，和栈一样，它的打印也是需要一个个出队列后打印，代码如下：

while (!QueueEmpty(&q))
{
	printf("%d ", QueueFront(&q));
	QueuePop(&q);
}
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测试代码如下（大家可自行写来调试）：

Queue q;
QueueInit(&q);
QueuePush(&q, 1);
QueuePush(&q, 2);
printf("队列中元素个数为：%d \n", QueueSize(&q));
QueuePop(&q);
QueuePush(&q, 3);
QueuePush(&q, 4);
printf("队列中的元素为：");
while (!QueueEmpty(&q))
{
	printf("%d ", QueueFront(&q));
	QueuePop(&q);
}
QueueDestroy(&q);
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结果如下：

完整代码

Queue.h

#pragma once


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

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

typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;

//初始化
void QueueInit(Queue* pq);

//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);

//入队列
//void QueuePus(QNode** phead, QNode** ptail);传指针的地址，用二级指针接收，简约写法，用结构体将头尾两个节点封装起来
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//出队列
void QueuePop(Queue* pq);

//取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq);

//取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq);

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);

//队列中有多少个元素
int QueueSize(Queue* pq);
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Queue.c

#include"Queue.h"

//初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	newnode->val = x;
	newnode->next = NULL;
	/*if (pq->phead == pq->ptail == NULL)
	{
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}*///!!!!!!!!不要这样写
	if (pq->ptail == NULL)
	{
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

//出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);
	//!!!!!!
	//只剩一个节点
	if (pq->phead->next == NULL)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}

	pq->size--;
}

//取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);
	return pq->phead->val;
}

//取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->phead);
	return pq->ptail->val;
}

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	/*if (pq->size == 0)
		return true;
	else
		return false;*/
	return pq->size == 0;
}

//队列中有多少个元素
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size;
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test.c

#include"Queue.h"

void test()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	printf("队列中元素个数为：%d \n", QueueSize(&q));
	QueuePop(&q);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
    printf("队列中的元素为：");
	while (!QueueEmpty(&q))
	{
		printf("%d ", QueueFront(&q));
		QueuePop(&q);
	}
	QueueDestroy(&q);
    
}

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