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数据结构篇五：队列
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前言
前面学习了栈，特点是后进先出，今天讲解的队列与其恰恰相反，是先进先出，先进来的数据先出去。
1.队列
1.1 队列的概念及结构
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)
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。
1.2 队列的实现
队列也可以数组和链表的结构实现，使用链表的结构实现更优一些，因为如果使用数组的结构，出队列在数组头上出数据，效率会比较低。
- front == NULL，tail = = NULL说明队列为空。
- 当插入第一个元素时front与tail同时指向第一个元素。
- 当入队列时，就是单链表的尾插。
- 当出队列时，就是单链表的头删。
2. 各功能的解析及实现
2.1 队列的创建
我们采用链表的方式进行实现，因为如果用数组的话，在进行出队列操作时，需要将全部元素都往前移一位，实际上就是将第一个元素覆盖了，比较繁琐，效率没有链表高，所以此处采用链表的方式进行实现。
typedef int Datatype;
//链式结构表示队列
typedef struct QListNode
{
Datatype data;
struct Queue* next;
}QNode;
typedef struct Queue
{
QNode* front;
QNode* tail;
}Queue;
我们定义了两个结构体，一个就是每个元素的内容，一个数据域以及一个指针域。另一个是指向元素的指针，因为在队列里需要用到两个，所以直接封装起来用比较好一些。同时封装到一个结构体内，我们就可以指针传递结构体的指针就可以了，就不需要传递单个（单独的front或者tail）的二级指针。（如果不太理解的话，可以将后续的代码与单链表这篇博客里面的代码进行比较观看，可以更好的理解为什么这里是传递一级指针，而单链表中传递的是二级指针。
2.2 初始化队列
将指针置空即可，防止出现野指针问题。
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
pq->front = NULL;
pq->tail = NULL;
}
2.3 队尾入队列
每次入队列都开辟一个新空间存放元素，然后再进行尾插就完成了。需要注意的是当插入第一个元素的时候是将新结点的地址给了front与tail，而不是进行尾插。因此此时的front与tail是空指针，是不能对他们进行解引用的。
void QueuePush(Queue* pq, Datatype x)
{
assert(pq);
QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
if (newnode == NULL)
{
printf("开辟失败！！");
return;
}
newnode->next = NULL;
newnode->data = x;
if (pq->front == NULL)
{
pq->tail = newnode;
pq->front = newnode;
}
else
{
pq->tail->next = newnode;
pq->tail = pq->tail->next;
}
}
2.4 队头出队列
删除队头元素，我们只需要保存第二个元素的地址，然后将队头元素的空间进行释放即可，然后再将front移到第二个元素的位置。需要注意的是，当队列中仅剩一个结点时，front与tail指向的是同一块空间，当对front进行释放时，tail也会被释放，如图：
此时tail就是一个野指针，指向一块已经被释放的空间，因此我们需要加一个判断，也就是当front == NULL时，tail也要被置为NULL。
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
QNode* next = pq->front->next;
free(pq->front);
pq->front = next;
if (pq->front == NULL)
{
pq->tail = NULL;
}
}
2.5 获取队头元素
唯一需要注意的就是需要判断一下队列是否为空即可。
Datatype QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->front->data;
}
2.6 获取队尾元素
唯一需要注意的就是需要判断一下队列是否为空即可。
Datatype QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->tail->data;
}
2.7 队列中有效元素个数
从头遍历依次计算即可。
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
int count = 0;
QNode* cur = pq->front;
while (cur)
{
count++;
cur = cur->next;
}
return count;
}
2.8 检查队列是否为空
队列为空的状态就是front是空指针，没有指向元素。
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
if (pq->front == NULL)
{
return true;
}
return false;
}
2.9 销毁队列
只需要提前保存准备释放结点的下一个结点地址，然后不断循环进行释放就可以了。
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
assert(pq);
QNode* cur = pq->front;
while (cur != NULL)
{
QNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
pq->front = NULL;
pq->tail = NULL;
}
3.代码实现
3.1 Queue.h
包含队列的创建以及各个功能函数的声明。
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
typedef int Datatype;
//链式结构表示队列
typedef struct QListNode
{
Datatype data;
struct Queue* next;
}QNode;
typedef struct Queue
{
QNode* front;
QNode* tail;
}Queue;
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, Datatype data);
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* pq);
// 获取队列头部元素
Datatype QueueFront(Queue* pq);
// 获取队列队尾元素
Datatype 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);
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);
3.2 Queue.c
各个功能函数的实现。
#include"Queue.h"
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
pq->front = NULL;
pq->tail = NULL;
}
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
assert(pq);
QNode* cur = pq->front;
while (cur != NULL)
{
QNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
pq->front = NULL;
pq->tail = NULL;
}
void QueuePush(Queue* pq, Datatype x)
{
assert(pq);
QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
if (newnode == NULL)
{
printf("开辟失败！！");
return;
}
newnode->next = NULL;
newnode->data = x;
if (pq->front == NULL)
{
pq->tail = newnode;
pq->front = newnode;
}
else
{
pq->tail->next = newnode;
pq->tail = pq->tail->next;
}
}
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
QNode* next = pq->front->next;
free(pq->front);
pq->front = next;
if (pq->front == NULL)
{
pq->tail = NULL;
}
}
Datatype QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->front->data;
}
Datatype QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));
return pq->tail->data;
}
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
int count = 0;
QNode* cur = pq->front;
while (cur)
{
count++;
cur = cur->next;
}
return count;
}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
if (pq->front == NULL)
{
return true;
}
return false;
}
3.3 test.c
对队列功能的测试。
#include"Queue.h"
void test()
{
Queue q;
QueueInit(&q);
QueuePush(&q, 1);//测试:入队列
QueuePush(&q, 2);
QueuePush(&q, 3);
QueuePush(&q, 4);
printf("%d
",QueueFront(&q));//测试:获取队头元素
printf("%d
", QueueSize(&q));//测试:统计元素个数
QueueDestroy(&q);
}
void test1()
{
Queue q;
QueueInit(&q);
QueuePush(&q, 1);//测试:入队列
QueuePush(&q, 2);
QueuePush(&q, 3);
QueuePush(&q, 4);
while (!QueueEmpty(&q))
{
Datatype x = QueueFront(&q);
printf("%d ", x);
QueuePop(&q); //测试:出队列
}
printf("
");
QueueDestroy(&q);
}
int main()
{
test();
//test1();
return 0;
}
4.总结
与栈差不多，一个是用数组实现的，一个是用链表实现的，一个是后进先出，一个先进先出。难度差距不大，重点依旧是放在做题方面感觉较好。
那么队列的讲解就先告一段落了，如果发现文章哪里有问题可以在评论区提出来或者私信我嗷。接下来我会继续深入学习数据结构的其他知识，开启新的篇章，那么本期就到此结束，让我们下期再见！！觉得不错可以点个赞以示鼓励喔！！
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