【线性表】队列：顺序队列、顺序循环队列、链式队列的基本特性

队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许头部和尾部进行操作。

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Table of Contents

顺序队列

顺序循环队列

链式队列

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顺序队列

队列定义：

1. 队列(queue)是只允许在一端（一般为尾部）进行插入操作，另一端（一般是头部）进行删除操作的线性表。
2. 队列是一种先进先出的线性表，允许插入的一端称为队尾(rear)，允许删除的一端称为队头(front)。
3. 队列是一种运算受限制的线性表，所以又叫先进先出表(First In First Out)，简称FIFO表。
4. 例如，排队打饭、买票就是一种队列。

队列的特性：

1. 向队列中插入元素称为入队，从队列中删除元素称为出队。
2. 当队列中没有元素时称为空队列。
3. 队列的操作是按先进先出的原则进行的，即新添加的元素总是加到队尾（rear），每次离开的元素总是队头（front）的元素。

什么是顺序队列：

1. 顺序队列 = 数组 + 队列的思想
2. 假设一个队列有n个元素，则顺序存储的队列需要建立一个大于n的数组，并把队列的所有元素存储在数组的前n个单元，数组下标为0的一端即为队头（front），数组下标为n-1的一端为队尾（rear）。
3. 在数组的基础上，使用front和rear限定增删操作，就为顺序队列
4. 所谓的入队，就是在队尾追加一个元素，不需要移动任何元素。队尾下标加一，将元素存入该下标所在的数组中。时间复杂度为O(1)。
5. 所谓的出队，就是在队头（front）减一即可。

顺序队列的代码定义

#define SIZE 20

typedef struct sequence_queue
{/*algorithm:本质上是一个数组，用两个数来保存数组现在位置的下标；*/
	int data[SIZE];
	int front;
	int rear;
}node;

顺序队列特性：

1. 当 front 等于 rear 时，不是队列中有一个元素，而是表示空队列。
2. front一定是在rear的前面，或者是相等。
3. rear会有数组溢出的风险。

 

顺序队列的操作：

• 队列的数据区为：[sq.data[0], sq.data[MAXSIZE -1]]
• 队头指针：sq.front
• 队尾指针：sq.rear
• 置空队则（初始化）：sq.front=sq.rear=-1;
• 队中元素的个数：m=(sq.rear)-(q.front);
• 队满时：m= MAXSIZE； 队空时：m=0。

• 在不考虑溢出的情况下，入队操作队尾指针加1，指向新位置后，元素入队。操作如下：sq.rear++; sq.data[sq.rear]=x;

 

• 在不考虑队空的情况下，出队操作队头指针加1，表明队头元素出队。操作如下：sq.front++; x=sq.data[sq.front];

 

第一个顺序队列

第一个顺序队列
#include <stdio.h>
#define MAX 10

typedef struct node
{
	int data[MAX]; //数组
	int front; //队头
	int rear; //对尾
}queue;

int main()
{
	queue MyQueue;

	//初始化
	MyQueue.front = -1;
	MyQueue.rear = -1;

	//入队
	MyQueue.rear++;
	MyQueue.front++;
	MyQueue.data[MyQueue.rear] = 100;
	MyQueue.data[++MyQueue.rear] = 200;
	MyQueue.data[++MyQueue.rear] = 300;

	//出队
	MyQueue.front++;

	//遍历
	for (int i = MyQueue.front; i <= MyQueue.rear; i++)
	{
		printf("%d ", MyQueue.data[i]);
	}

	return 0;
}
 

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顺序循环队列

定义：在顺序队列的基础上行，把队列的这种头尾相接的顺序存储结构称为循环队列。即把rear指向0位置。

基础操作（设队列的最大尺寸为QueueSize）：

1. 初始化：q.front = q.rera = 0;
2. 队列满的判断条件改为(rear+1)%QueueSize == front
3. 队列的长度为（rear - front + QueueSize）% QueueSize
4. 入队时的队尾指针加 1 操作修改为  q.rear  = (q.rear + 1) % QueueSize
5. 出队时的队首指针加 1 操作修改为  q.front = (q.front + 1) % QueueSize

 如何区分队空还是队满

由于形成了一个环，rear == front无法判定是队空还是队满。

解决方案：

 

第一个顺序循环队列 

第一个顺序循环队列
#include <stdio.h>
#define QueueSize  10

typedef struct node
{
	int data[QueueSize]; //数组
	int front; //队头
	int rear; //对尾
}LoopQueue;

int main()
{
	LoopQueue MyQueue;

	//初始化
	MyQueue.front = 0;
	MyQueue.rear = 0;

	//入队
	MyQueue.data[MyQueue.rear] = 100;
	MyQueue.rear = (MyQueue.rear + 1) % QueueSize; //不可以直接++，因为循环队列 最后一个元素的下一个下标可能是0号元素
	MyQueue.data[MyQueue.rear] = 200;
	MyQueue.rear = (MyQueue.rear + 1) % QueueSize;
	MyQueue.data[MyQueue.rear] = 300;
	MyQueue.rear = (MyQueue.rear + 1) % QueueSize;

	//出队
	MyQueue.front = (MyQueue.front + 1) % QueueSize;

	int len = (MyQueue.rear - MyQueue.front + QueueSize) % QueueSize;
	printf("此时循环队列长度：%d\n", len);

	//遍历
	for (int i = MyQueue.front; i != MyQueue.rear; i = (i + 1) % QueueSize)
	{
		printf("%d ", MyQueue.data[i]);
	}

	return 0;
}

 

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链式队列

链式队列：

1. 链式队列 = 单链表 + 队列的思想
2. 只不过它只能是尾进头出而已。将队头指针指向链队列的头结点，而队尾指针指向终端结点。
3. 通常将链式队列设计成一个带头结点的单链表，因为这样使得插入和删除统一。
4. 链式队列适合数据元素变动比较大的情形。

链式队列的代码定义

//本质：一个单链表加上一个队列首尾指针；

typedef struct link_queue
{//定义存储数据的单链表；
	int data;
	struct link_queue* next;
}node;

typedef struct
{//定义队首队尾指针；
	node* front, * rear;//申明两个node型结构体指针，front用来保存头，rear用来保存尾巴；
}queue;

入队操作

链式队列的入队操作其实就是在链表尾部插入结点：

出队操作

出队操作时，就是头结点的后继结点出队，若链表除头结点外只剩一个元素时，则需将rear指向头结点：

第一个链式队列

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
#include <assert.h>

typedef struct link_queue
{ //定义存储数据的单链表；
	int data;
	struct link_queue* next;
}node;

typedef struct
{ //定义队首队尾指针；
	node* front, * rear;//申明两个node型结构体指针，front用来保存头，rear用来保存尾巴；
}queue;

void push(queue* MyQueue, int value)
{
	assert(MyQueue != NULL);
	node* NewNode = (node*)malloc(sizeof(node));
	assert(NewNode != NULL);
	NewNode->data = value;

	if (MyQueue->front == NULL  && MyQueue->rear == NULL) //空队列
	{
		MyQueue->front = NewNode;
	}
	else
	{
		MyQueue->rear->next = NewNode;
	}
	MyQueue->rear = NewNode;
}

int pop(queue* MyQueue)
{
	assert(MyQueue != NULL);
	node* tmp = MyQueue->front;
	int value = tmp->data;
	MyQueue->front = tmp->next;

	if (MyQueue->front == NULL)  // 最后一个节点出队的时候
	{
		MyQueue->rear = NULL;
	}
	free(tmp);
	tmp = NULL;
	return value;
}

int main()
{
	queue* MyQueue = (queue*)malloc(sizeof(queue));
	assert(MyQueue != NULL);

	MyQueue->front = NULL;
	MyQueue->rear = NULL;

	push(MyQueue, 100);
	push(MyQueue, 200);
	push(MyQueue, 300);
	push(MyQueue, 400);

	pop(MyQueue);
	pop(MyQueue);
	
	node* p = MyQueue->front;
	assert(p != NULL);
	while (p != MyQueue->rear->next)
	{
		printf("%d  ", p->data);
		p = p->next;
	}

	return 0;
}

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