数据结构初阶：队列

Susea&

于 2025-04-14 17:03:19 发布

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分类专栏：数据结构文章标签： c语言数据结构开发语言

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本篇博客主要讲解队列的相关知识。

1.队列

1.1 概念与结构

概念：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FIFP（First in First Out）

入队列：进行插入操作的一端称作队尾

出队列：进行删除操作的一端称作队头

队列也可以用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，效率会比较低下。

1.2 队列头文件（Queue.h）

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

//定义结点的结构
typedef int QDataTpe;
typedef struct QueueNode
{
	QDataTpe data;
	struct QueueNode* next;
}QueueNode;

//定义队列的结构
typedef struct Queue {
	QueueNode* phead;//队头
	QueueNode* ptail;//队尾
	int size;//记录有效数据个数
}Queue;

void QueueInit(Queue* pq);
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);

//入队---队尾
void QueuePush(Queue* pq, QDataTpe x);
//出队---队头
void QueuePop(Queue* pq);

//取队头数据
QDataTpe QueueFront(Queue* pq);
//取队尾数据
QDataTpe QueueBack(Queue* pq);

bool QueueEmpty(Queue* pq);
//队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

1.2.1 定义队列结点结构

//定义结点的结构
typedef int QDataTpe;
typedef struct QueueNode
{
	QDataTpe data;
	struct QueueNode* next;
}QueueNode;

代码逻辑：

首先，通过typedef定义了一个整数类型QDataTpe，这里实际上是将int类型取了一个别名QDataTpe。

然后，定义了一个结构体QueueNode，这个结构体包含了两个成员：

QDataTpe data：用于存储节点的数据。
struct QueueNode* next：一个指向结构体QueueNode的指针，用于指向下一个节点，从而形成链表结构。

通过这样的定义，可以方便地创建和操作队列节点，为构建队列数据结构奠定了基础。

1.2.2 定义队列的结构

//定义队列的结构
typedef struct Queue {
	QueueNode* phead;//队头
	QueueNode* ptail;//队尾
	int size;//记录有效数据个数
}Queue;

代码逻辑：

定义了一个结构体Queue，其中包含了三个成员：

QueueNode* phead：一个指向QueueNode结构体的指针，用于表示队列的队头。
QueueNode* ptail：一个指向QueueNode结构体的指针，用于表示队列的队尾。
int size：用于记录队列中有效数据的个数。

通过这样的定义，可以方便地对队列进行操作，如入队、出队等。

1.3 队列源代码（Queue.h）

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include"Queue.h"

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
}
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QueueNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
}
//入队---队尾
void QueuePush(Queue* pq, QDataTpe x)
{
	assert(pq);
	//newnode
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	//队列为空，newnode是队头也是队尾
	if (pq->phead == NULL)
	{
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else {
		//队列非空，直接插入到队尾
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = pq->ptail->next;
	}
	pq->size++;
}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == 0;
}
//出队---队头
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	//只有一个结点的情况
	if (pq->phead == pq->ptail)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else {
		QueueNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}
//取队头数据
QDataTpe QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}
//取队尾数据
QDataTpe QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}

//队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	return pq->size;
}

1.3.1 队列的初始化

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
}

代码逻辑：

函数的参数是一个指向Queue结构体的指针pq。在函数内部，首先使用assert判断pq是否有效，首先使用assert函数检查pq是否有效。

然后，将队列的队头指针 pq -> phead 和队尾指针 pq ->ptail 都初始化为NULL，表示初始状态下队列为空。

1.3.2 队列的销毁

//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QueueNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
}

代码逻辑：

函数的参数是一个指向Queue结构体的指针pq。首先使用assert函数检查pq是否有效。

然后，通过一个循环遍历队列的节点。在循环中，先保存当前节点的下一个节点的指针next，然后释放当前节点的内存空间，最后将当前节点指针移动到下一个节点。当循环结束后，将队列的队头指针pq->phead和队尾指针pq->ptail都设置为NULL，表示队列已被销毁。

1.3.3 入队---队尾

//入队---队尾
void QueuePush(Queue* pq, QDataTpe x)
{
	assert(pq);
	//newnode
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	//队列为空，newnode是队头也是队尾
	if (pq->phead == NULL)
	{
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else {
		//队列非空，直接插入到队尾
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = pq->ptail->next;
	}
	pq->size++;
}

代码逻辑：

函数的参数是一个指向Queue结构体的指针pq和要入队的元素x。首先使用assert函数检查pq是否有效。然后，使用malloc函数分配一个新的QueueNode节点newnode，并为其分配内存空间。如果内存分配失败（newnode为NULL），则输出错误信息并退出程序。

接下来，将入队元素的值赋给新节点的data成员，并将新节点的next指针设置为NULL。

然后，通过判断队列是否为空来确定新节点的插入位置。如果队列为空，将新节点同时设置为队头和队尾；如果队列非空，将新节点插入到队尾，并更新队尾指针。

最后，将队列的有效数据个数加1。

1.3.4 判空

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == 0;
}

代码逻辑同上篇博客类似，不过多赘述。

1.3.5 出队--队头

//出队---队头
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	//只有一个结点的情况
	if (pq->phead == pq->ptail)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else {
		QueueNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}

代码逻辑：

函数的参数是一个指向Queue结构体的指针pq。首先使用assert函数和QueueEmpty函数来检查队列是否为空，如果队列为空则会产生断言错误。

接下来，通过判断队列中节点的数量来确定出队的具体操作。如果队列中只有一个节点，那么释放该节点的内存空间，并将队头和队尾指针都设置为NULL。如果队列中有多个节点，那么保存队头节点的下一个节点的指针next，释放队头节点的内存空间，然后将队头指针更新为next。

最后，将队列的有效数据个数减1。

1.3.6 取队头数据和取队尾数据

//取队头数据
QDataTpe QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}
//取队尾数据
QDataTpe QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}

代码逻辑：

QDataTpe QueueFront(Queue* pq)：这个函数用于获取队列的队头数据。函数首先使用assert函数和QueueEmpty函数来检查队列是否为空，如果队列为空则会产生断言错误。如果队列不为空，那么直接返回队头节点的data成员的值。
QDataTpe QueueBack(Queue* pq)：这个函数用于获取队列的队尾数据。函数的检查流程和QueueFront函数类似，也是先检查队列是否为空，如果不为空，那么直接返回队尾节点的data成员的值。