C语言队列的实现

时间:2022-05-28 三分苦人气:0

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;
}

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创建队列结构

队列初始化

队列销毁

入队列

出队列

队列判空

获取队列元素个数

获取队列头部元素

获取队列尾部元素

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Queue.h 文件

Queue.c 文件

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