【数据结构】带你深度理解队列

目录

一. 队列的基本概念

二. 队列实现方法的选择

2.1 引入

2.2 选择

三. 接口的实现✈

3.1 队列的声明

3.2 初始化和销毁

3.3 入队

3.4 出队

3.5 求队头元素

3.6 求队尾元素

3.7 判空

3.8 求队列的元素个数

3.9 总结

四. 完整代码及效果展示

一. 队列的基本概念

队列和我们之前学习的栈一样，它也是一种特殊的线性表。它只允许在一端插入数据，在另一端删除数据，不允许对中间的元素进行操作，因而也不支持随机访问。队列具有先进先出的特性FIFO（(First In First Out）。

入队：队列的插入操作叫做入队，插入数据的一端称作队头
出队：队列的删除操作叫做出队，删除数据的一端称作队尾

我们结合动图来理解队列的先进先出：

二. 队列实现方法的选择

2.1 引入

在上次栈的实现中，我们说到可以用顺序存储结构和链式存储结构来表示栈。经过之前我们的分析，我们选择了使用顺序表来实现栈，这是由于栈的插入删除操作完美适配顺序表尾插尾删效率高的特性。

有关两种方式的优缺点及比较，详细请参照往期文章：

【数据结构】带你深度理解栈

2.2 选择

由于队列需要在两端进行操作，而顺序表在头部的操作效率很低，需要移动大量数据，直接pass掉。我们本期将采用单链表的形式来实现队列。特别的，为了提高单链表尾插的效率，除了必要的头指针我们又定义了一个尾指针指向链表的尾部，大幅提高了单链表尾插的效率。当然，实现队列的方式多种多样，并不是只能用单链表来实现队列。

三. 接口的实现✈

3.1 队列的声明

本文我们采用带有头尾指针的单链表来实现队列，队列的结构体的声明如下：

//单链表的结点typedef int QueueDataType;typedef struct QueueNode{QueueDataType data;struct QueueNode* next;}QueueNode;//队列结构体typedef struct Queue{QueueNode* first; //队列头QueueNode* tail;//队列尾}Queue;

老样子，我们不直接指定数据的类型，而是将类型重定义为STDataType，这样做有利于提高代码的可维护性。

3.2 初始化和销毁

在我们使用队列结构进行操作之前需要对其进行初始化，当我们不再使用它是要对它进行销毁，具体代码如下：

//初始化队列void QueueInit(Queue* pq){assert(pq);pq->first = pq->tail = NULL;//空队列，队头队尾指向空}//销毁队列void QueueDestroy(Queue* pq){assert(pq);QueueNode* cur = pq->first;//销毁每个结点while (cur){QueueNode* next = cur->next;//先把下一个结点的位置保存起来，避免销毁后找不到free(cur);cur = next;}pq->first = pq->tail = NULL;//队头队尾置空}

3.3 入队

由于队列只允许在固定的一端插入，我们又将链表尾当做队尾，因此入队就是尾插。在没有尾指针之前，我们还要先找到链表尾，但我们现在有了尾指针，一切都方便起来了。效果和代码如下：

//创建结点static QueueNode* CreatNode(QueueDataType x){QueueNode* ret=(QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));if (ret == NULL){printf("%s", strerror(errno));exit(-1);}ret->data = x;ret->next = NULL;return ret;}//入队void QueueInsert(Queue* pq, QueueDataType x){assert(pq);QueueNode* newnode = CreatNode(x);//为空队列if (pq->tail == NULL){pq->first = pq->tail = newnode;}else{//在队尾插入pq->tail->next = newnode;pq->tail = newnode;}}

插入前我们先创建结点，封装成一个函数并用static修饰，取消其外部链接属性使得只能在本文件中使用，不允许外部调用。之前我们说过，单链表的尾插要考虑链表是不是为空的情况，避免对空指针进行解引用导致出错。这里也是，要判断队列是否为空，分情况处理。

3.4 出队

入队在链表尾，那么出队就是在链表头了；入队对应着链表的尾插，则出队就是头删。链表的头删很简单，只需要释放结点，将头指针指向下一个结点即可。效果如下：

但是，如果只是这样还不够！试想一下，当队列只剩下一个元素时，如果我们再进行出队，头指针没问题指向空，那尾指针呢？由于我们没有去修改，它指向了已经释放空间，显然是不合理的。因此在这种情况下我们还需将尾指针置为NULL。

//出队void QueueErase(Queue* pq){assert(pq&&pq->first);//需注意，当队列只有一个元素时，删除后除了要修改first指针，还要修改tail指针QueueNode* next = pq->first->next;//只有一个元素if (next == NULL){free(pq->first);pq->first = pq->tail=NULL;}else{//释放结点，修改头指针指向free(pq->first);pq->first = next;}}

3.5 求队头元素

很简单，我们可以直接根据头指针得到队头的元素，如下：

//求队头元素QueueDataType QueueFront(Queue* pq){assert(pq);assert(pq->first);//队列不为空return pq->first->data;}

3.6 求队尾元素

一样的，通过尾指针可以快速定位队尾的位置，得到队尾的元素，如下：

//求队尾元素QueueDataType QueueBack(Queue* pq){assert(pq);assert(pq->tail);//队列不为空return pq->tail->data;}

3.7 判空

当队列为空时，队头指针和队尾指针都为NULL，我们选其一判断即可。代码如下：

//判空//使用bool类型需包含stdbool.h头文件bool QueueEmpty(Queue* pq){assert(pq);return pq->first == NULL;//如果为空返回true，不为空返回false}

3.8 求队列的元素个数

定义一个变量作为计数器，遍历链表并记录遍历过程中的结点个数：

//求队列元素个数int QueueSize(Queue* pq){assert(pq);int count = 0;QueueNode* cur = pq->first;//进行遍历直到为空while (cur){count++;//计数器加1cur = cur->next;//指向下一结点}return count;}

3.9 总结

• 与栈同理，队列也是一种限制型的数据结构，不支持随机访问。其只允许在固定的两端进行操作。因此也不存在查找，打印，修改等需要对其他位置进行操作的接口，否则会破坏队列的特性。
• 数据结构的实现方式多种多样，为了在隐藏设计细节的情况下使用方依旧能够很方便的使用，尽管有一些操作仅仅只有一两行代码，我们还是封装成函数作为对外的接口供使用方调用。

四. 完整代码及效果展示

老样子，我们采用多文件编写的形式，将上述接口的定义实现放在Queue.c文件中，然后将接口的声明和结构体的定义放于Queue.h头文件中，以达到封装的效果。这样我们如果需要使用队列，就只需要在文件中包含对应的头文件Queue.h就可以使用我们上面定义的各种接口。以下为本文实现的队列完整代码以及效果展示：

//Queue.h文件，用于声明接口函数，定义结构体#pragma once#include#include#include#include#include#include//单链表的结点typedef int QueueDataType;typedef struct QueueNode{QueueDataType data;struct QueueNode* next;}QueueNode;//队列结构体typedef struct Queue{QueueNode* first; //队列头QueueNode* tail;//队列尾}Queue;//初始化void QueueInit(Queue* pq);//销毁void QueueDestroy(Queue* pq);//插入void QueueInsert(Queue* pq, QueueDataType x);//删除void QueueErase(Queue* pq);//求队头元素QueueDataType QueueFront(Queue* pq);//求队尾元素QueueDataType QueueBack(Queue* pq);//求队列元素个数int QueueSize(Queue* pq);//判空bool QueueEmpty(Queue* pq);

//Queue.c文件，用于定义接口函数#include"Queue.h"//初始化队列void QueueInit(Queue* pq){assert(pq);pq->first = pq->tail = NULL;//空队列，队头队尾指向空}//销毁队列void QueueDestroy(Queue* pq){assert(pq);QueueNode* cur = pq->first;//销毁每个结点while (cur){QueueNode* next = cur->next;//先把下一个结点的位置保存起来，避免销毁后找不到free(cur);cur = next;}pq->first = pq->tail = NULL;//队头队尾置空}//创建结点static QueueNode* CreatNode(QueueDataType x){QueueNode* ret=(QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));if (ret == NULL){printf("%s", strerror(errno));exit(-1);}ret->data = x;ret->next = NULL;return ret;}//入队void QueueInsert(Queue* pq, QueueDataType x){assert(pq);QueueNode* newnode = CreatNode(x);//为空队列if (pq->tail == NULL){pq->first = pq->tail = newnode;}else{//在队尾插入pq->tail->next = newnode;pq->tail = newnode;}}//出队void QueueErase(Queue* pq){assert(pq&&pq->first);//需注意，当队列只有一个元素时，删除后除了要修改first指针，还要修改tail指针QueueNode* next = pq->first->next;//只有一个元素if (next == NULL){free(pq->first);pq->first = pq->tail=NULL;}else{//释放结点，修改头指针指向free(pq->first);pq->first = next;}}//求队头元素QueueDataType QueueFront(Queue* pq){assert(pq);assert(pq->first);//队列不为空return pq->first->data;}//求队尾元素QueueDataType QueueBack(Queue* pq){assert(pq);assert(pq->tail);//队列不为空return pq->tail->data;}//求队列元素个数int QueueSize(Queue* pq){assert(pq);int count = 0;QueueNode* cur = pq->first;//进行遍历直到为空while (cur){count++;//计数器加1cur = cur->next;//指向下一结点}return count;}//判空bool QueueEmpty(Queue* pq){assert(pq);return pq->first == NULL;//如果为空返回true，不为空返回false}

最后， 我们在test.c文件调用队列各个接口进行测试，如下：

//test.c文件，用于测试#include"Queue.h"void test01(){Queue que;//初始化QueueInit(&que);//求元素个数printf("入队前队列的元素个数为:%d\n", QueueSize(&que));//入队，插入5个元素for (int i = 1; i  ");while (!QueueEmpty(&que)){//求队头元素printf("%d ", QueueFront(&que));//出队QueueErase(&que);}//全部出队printf("\n全部出队后队列的元素个数为:%d\n", QueueSize(&que));//销毁QueueDestroy(&que);}int main(){test01();return 0;}

以下是测试的最终效果：

以上，就是本期的全部内容啦

制作不易，能否点个赞再走呢