C语言超详细讲解队列的实现及代码
时间：2022-09-24 10:20:47 | 栏目：C代码 | 点击：次
前言
队列的概念
- 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)
- 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
队列和前文所学的栈还是有一定区别的，队列明确指出先进先出。假如说一个队列的入队顺序为A B C D，那么出队顺序一定为A B C D，因为无论你是在A进去再出来，然后B进去再出来接着CD进去再出来或者类似的，都不会影响它最终的出队顺序A B C D。这点和栈还是有区别的，毕竟栈是后进先出。
队列的结构
队列的应用场景
队列：
- 公平排队
- 广度优先遍历 ……
栈：
- 解决括号匹配
- 逆波兰表达式求解
- 递归改非递归 ……
队列的实现
- 在实现之前，首先得考虑用哪种结构好，是用数组结构还是链式结构呢？上文的栈我们使用的是数组结构，难道队列也要用吗？
- 其实不然。应该使用链式结构。前文栈删除数据不需要挪动数据，使用数组结构即可满足需求，而队列在删除数据时需要把后面的数据挪到前面，使用链式结构非常容易实现，只需改变节点指向即可，而数组结构想要实现挪动数据则非常麻烦。综上，使用链式结构是最优的。此外，单链表即可满足需求，不需要使用其余较为复杂的链式结构。
创建队列结构
思路：
这里要定义两个结构体，除了要定义1个链式结构来记录各个节点外，还要定义一个结构来记录队头和队尾。以此方便后续的队尾入数据，队头出数据。
Queue.h 文件：
//创建队列结构
typedef int QDataType; //方便后续更改存储数据类型，本文以int为例
//创建队列节点
typedef struct QueueNode
{
QDataType data; //存储数据
struct QueueNode* next; //记录下一个节点
}QNode;
//保存队头和队尾
typedef struct Queue
{
QNode* head; //头指针
QNode* tail; //尾指针
}Queue;
队列初始化
思路：
队列可以为空，但是管理头指针和尾指针的结构体不能为空，所以一开始就要断言。其次，在插入数据前，队列肯定是空的，所以直接把头指针和尾指针置空即可。
Queue.h 文件：
//初始化队列 void QueueInit(Queue* pq);
Queue.c 文件：
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
pq->head = pq->tail = NULL;
}
队列销毁
思路：
销毁队列就是把队列的每个数据都销毁掉，那么需要遍历链表进行挨个销毁free。首先定义一个cur指针为pq->head，用来保存第一个数据，遍历cur，如果不为空，就free。最后把tail和head置空即可。
Queue.h 文件：
//销毁队列 void QueueDestory(Queue* pq);
Queue.c 文件：
//销毁队列
void QueueDestory(Queue* pq)
{
assert(pq);
QNode* cur = pq->head;
while (cur)
{
QNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
pq->head = pq->tail = NULL;
}
入队列
思路：
入队列其实很简单，只需要尾插即可，首先要新创建一个节点来保存新插入的数据。但是在尾插之前要考虑如果一开始队列没有数据，为空，那么只需要把head和tail节点指向新节点newnode节点即可。相反的，如果一开始就有数据，那么只需正常尾插把tail的next指向新节点newnode，再把newnode赋给tail即可。
Queue.h 文件：
//入队列 void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
Queue.c 文件：
//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
assert(pq);
//创建一个新节点保存数据
QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
//暴力检测newnode，因为malloc的都要检测
assert(newnode);
newnode->next = NULL;
newnode->data = x;
//如果一开始没有数据，为空的情况
if (pq->tail == NULL)
{
assert(pq->head == NULL);
pq->head = pq->tail = newnode;
}
else
{
pq->tail->next = newnode;
pq->tail = newnode;
}
}
出队列
思路：
特殊情况：
这里在删除数据时，首先要考虑特殊情况，当删到只剩一个数据时，再删一次，此时数据是没了，不过head为空了，而tail变成野指针了，为了避免此现象的产生，单独讨论并置空head和tail即可。
一般情况：
此时只需要定义一个next指针保存head的下一个节点，将head移动到next即可，并把旧的head置空。
Queue.h 文件：
//出队列 void QueuePop(Queue* pq);
Queue.c 文件：
//出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->head && pq->tail); //tail和head均不能为空
//特殊：当删到head=tail的位置时
if (pq->head->next == NULL)
{
free(pq->head);
pq->head = pq->tail = NULL;
}
//一般情况
else
{
//保存head的下一个节点
QNode* next = pq->head->next;
free(pq->head);
pq->head = next;
}
}
队列判空
思路：
如果head为空或者tail为空都是判空的条件，直接返回即可。
Queue.h 文件：
//判空 bool QueueEmpty(Queue* pq);
Queue.c 文件：
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
return pq->head == NULL;
}
获取队列元素个数
思路：
求元素个数其实不难，只需要定义一个cur指针为第一个数据pq->head，定义变量size来记录个数。依次遍历cur，不为空，size就++。这种遍历的思想不复杂，但时间复杂度达到O(N)，不是太好，想要O(1)的话可以直接在当初定义结构体时多定义一个size变量，专门用来记录有效元素个数，每次入队列size++，出队列size--。这样实现是比较好的，不过为了封装成一个独立模块，还是采用遍历的方式。如下：
Queue.h 文件：
//获取有效元素个数 size_t QueueSize(Queue* pq);
Queue.c 文件：
//获取有效元素个数
size_t QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
QNode* cur = pq->head;
size_t size = 0;
while (cur)
{
size++;
cur = cur->next;
}
return size;
}
获取队列头部元素
思路：
首先要断言头部不能为空，如果头部都为空了，那还怎么能获得头部元素，其次直接返回头部head的数据即可。
Queue.h 文件：
//获取队头元素 QDataType QueueFront(Queue* pq);
Queue.c 文件：
//获取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->head); //头部不能为空
return pq->head->data;
}
获取队列尾部元素
思路：
有了获取队头元素的经验，队尾就更简单了，把head换位tail即可，结构与上文一样。
Queue.h 文件：
//获取队尾元素 QDataType QueueBack(Queue* pq);
Queue.c 文件：
//获取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->tail); //尾部不能为空
return pq->tail->data;
}
总代码
Queue.h 文件
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
//创建队列结构
typedef int QDataType; //方便后续更改存储数据类型，本文以int为例
//创建队列节点
typedef struct QueueNode
{
QDataType data; //存储数据
struct QueueNode* next; //记录下一个节点
}QNode;
//保存队头和队尾
typedef struct Queue
{
QNode* head; //头指针
QNode* tail; //尾指针
}Queue;
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);
//销毁队列
void QueueDestory(Queue* pq);
//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
//出队列
void QueuePop(Queue* pq);
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//获取有效元素个数
size_t QueueSize(Queue* pq);
//获取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//获取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq);
Queue.c 文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Queue.h"
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
pq->head = pq->tail = NULL;
}
//销毁队列
void QueueDestory(Queue* pq)
{
assert(pq);
QNode* cur = pq->head;
while (cur)
{
QNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
pq->head = pq->tail = NULL;
}
//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
assert(pq);
//创建一个新节点保存数据
QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
//暴力检测newnode，因为malloc的都要检测
assert(newnode);
newnode->next = NULL;
newnode->data = x;
//如果一开始没有数据，为空的情况
if (pq->tail == NULL)
{
assert(pq->head == NULL);
pq->head = pq->tail = newnode;
}
else
{
pq->tail->next = newnode;
pq->tail = newnode;
}
}
//出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->head && pq->tail); //tail和head均不能为空
//特殊：当删到head=tail的位置时
if (pq->head->next == NULL)
{
free(pq->head);
pq->head = pq->tail = NULL;
}
//一般情况
else
{
//保存head的下一个节点
QNode* next = pq->head->next;
free(pq->head);
pq->head = next;
}
}
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
return pq->head == NULL;
}
//获取有效元素个数
size_t QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
QNode* cur = pq->head;
size_t size = 0;
while (cur)
{
size++;
cur = cur->next;
}
return size;
}
//获取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->head); //头部不能为空
return pq->head->data;
}
//获取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->tail); //尾部不能为空
return pq->tail->data;
}
Test.c 文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Queue.h"
void TestQueue()
{
Queue q;
QueueInit(&q);
//插入数据
QueuePush(&q, 1);
QueuePush(&q, 2);
QueuePush(&q, 3);
QueuePush(&q, 4);
//打印
while (!QueueEmpty(&q))
{
printf("%d ", QueueFront(&q));
QueuePop(&q);
}
printf("\n");
}
int main()
{
TestQueue();
return 0;
}