### C语言中队列（
Queue）的实现与用法
#### 1. 队列的基本概念
队列是一种遵循先进先出（FIFO, First In First Out）原则的数据结构[^1]。在C语言中，通常通过链表或者数组来实现队列。以下将以链表为基础介绍队列的具体实现方法。
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#### 2. 结构体定义
为了实现队列，需要定义两个结构体：一个是表示队列节点的结构体 `QNode`，另一个是用于管理整个队列的结构体 `
Queue`。
```c
typedef int QDataType; // 可以根据需求修改为其他数据类型
// 定义队列节点
typedef struct
QueueNode {
QDataType data;
struct
QueueNode* next;
} QNode;
// 定义队列
typedef struct
Queue {
QNode* head; // 头指针
QNode* tail; // 尾指针
int size; // 当前队列中的元素数量
}
Queue;
```
---
#### 3. 初始化队列
初始化函数的作用是将队列设置为空状态，即将头尾指针置为 `NULL`，并将大小设为 `0`。
```c
void
QueueInit(
Queue* pq) {
assert(pq != NULL); // 断言确保传入的有效地址
pq->head = pq->tail = NULL;
pq->size = 0;
}
```
---
#### 4. 销毁队列
销毁函数负责释放队列所占用的所有内存空间，并将队列重置为空状态。
```c
void
QueueDestroy(
Queue* pq) {
assert(pq != NULL);
QNode* cur = pq->head;
while (cur) {
QNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
pq->head = pq->tail = NULL;
pq->size = 0;
}
```
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#### 5. 入队操作
入队是指将一个新的元素添加到队列的尾部。如果队列为空，则新加入的节点既是头也是尾。
```c
void
QueuePush(
Queue* pq, QDataType x) {
assert(pq != NULL);
QNode* new_node = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
if (new_node == NULL) {
perror("Memory allocation failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
new_node->data = x;
new_node->next = NULL;
if (pq->tail == NULL) { // 如果队列为空
pq->head = pq->tail = new_node;
} else {
pq->tail->next = new_node;
pq->tail = new_node;
}
pq->size
++;
}
```
---
#### 6. 出队操作
出队是从队列头部移除一个元素。如果队列只有一个元素，则移除后需将头尾指针都置为 `NULL`。
```c
void
QueuePop(
Queue* pq) {
assert(pq != NULL && !
QueueEmpty(pq)); // 确保队列非空
QNode* tmp = pq->head;
if (pq->head == pq->tail) { // 如果队列只剩下一个节点
pq->head = pq->tail = NULL;
} else {
pq->head = pq->head->next;
}
free(tmp);
pq->size--;
}
```
---
#### 7. 获取队首和队尾元素
这两个函数分别返回队列头部和尾部的元素值，但不会改变队列的状态。
```c
QDataType
QueueFront(
Queue* pq) {
assert(pq != NULL && !
QueueEmpty(pq));
return pq->head->data;
}
QDataType
QueueBack(
Queue* pq) {
assert(pq != NULL && !
QueueEmpty(pq));
return pq->tail->data;
}
```
---
#### 8. 检测队列是否为空
判断队列是否为空非常简单，只需检查头指针是否为 `NULL` 即可。
```c
bool
QueueEmpty(
Queue* pq) {
assert(pq != NULL);
return pq->head == NULL;
}
```
---
#### 9. 获取队列有效数据个数
该函数返回当前队列中存在的元素总数。
```c
int
QueueSize(
Queue* pq) {
assert(pq != NULL);
return pq->size;
}
```
---
#### 10. 使用示例
下面是一个完整的使用示例，展示如何创建、操作并最终销毁一个队列。
```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
// 上述所有函数声明和定义...
int main() {
Queue queue;
QueueInit(&
queue);
printf("Is the
queue empty? %s\n",
QueueEmpty(&
queue) ? "Yes" : "No");
QueuePush(&
queue, 10);
QueuePush(&
queue, 20);
QueuePush(&
queue, 30);
printf("Front of
queue: %d\n",
QueueFront(&
queue));
printf("Back of
queue: %d\n",
QueueBack(&
queue));
printf("
Queue size: %d\n",
QueueSize(&
queue));
QueuePop(&
queue);
printf("After popping one element:\n");
printf("Front of
queue: %d\n",
QueueFront(&
queue));
printf("
Queue size: %d\n",
QueueSize(&
queue));
QueueDestroy(&
queue);
return 0;
}
```
运行结果：
```
Is the
queue empty? Yes
Front of
queue: 10
Back of
queue: 30
Queue size: 3
After popping one element:
Front of
queue: 20
Queue size: 2
```
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