数据结构之队列代码逻辑及其详解

1. 队列的概念

队列是一种线性数据结构，具有先进先出（FIFO）的特点。队列中的元素按照插入的顺序进行排列，先插入的元素在队列中较早出现，后插入的元素在队列中较晚出现。队列通常有两个基本操作：入队和出队。

队列可以用数组或链表来实现。使用数组实现队列时，需要一个指针来跟踪队列的头部和尾部。入队操作将元素添加到队列的尾部，出队操作将元素从队列的头部移除。

队列可以用于很多场景，比如任务调度、消息传递等。在计算机科学中，队列经常用于广度优先搜索（BFS）等算法的实现。

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

2.队列代码及其详解

2.1 队列的基础定义

typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	int data;
}QNode;

typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
	int size;
}Queue;

QueueNode 结构体：包含一个指向下一个 QueueNode 结构体的指针 next 和一个整型数据 data 。

Queue 结构体：包含指向队列头节点的指针 head 、指向队列尾节点的指针 tail 以及表示队列中元素数量的整型变量 size 。

以上便是关于队列数据结构常用的操作接口，接下来我会一一实现。

2.2 初始化一个队列

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

首先，使用 assert 断言来确保传入的队列指针 pq 非空。然后，将队列的头指针 head 和尾指针 tail 都初始化为 NULL ，表示初始时队列为空。同时，将队列中元素的数量 size 初始化为 0 。

2.3 销毁队列

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QNode* cmp = pq->head;
	while (cmp)
	{
		QNode* next = cmp->next;
		free(cmp);
		cmp = next;
	}
	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

首先，使用 assert 断言确保传入的队列指针 pq 非空。然后，通过一个循环来释放队列中每个节点所占用的内存。循环中，使用一个临时指针 cmp 指向当前要处理的节点，获取其下一个节点的指针 next ，释放当前节点的内存，然后将 cmp 移动到下一个节点，直到处理完所有节点。最后，将队列的头指针和尾指针都置为 NULL ，并将队列元素数量置为 0 ，表示队列已被销毁。

2.4 将一个整数 x 入队

void QueuePush(Queue* pq, int x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));

	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	if (pq->head == NULL)
	{
		assert(pq->tail == NULL);
		pq->tail = pq->head = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

首先，使用 assert 断言确保传入的队列指针 pq 非空。然后，通过 malloc 分配一个新的队列节点 newnode 。如果内存分配失败（newnode 为 NULL ），则输出错误信息。接着，为新节点赋值，将传入的整数 x 存储在 data 成员中，并将 next 指针初始化为 NULL 。之后，判断队列是否为空。如果为空（即 pq->head 为 NULL ），则将新节点同时设置为头节点和尾节点。如果队列不为空，则将新节点连接到尾节点后面，并更新尾节点为新节点。最后，增加队列元素数量 pq->size 。

2.5 将队头元素出队

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
	pq->size--;
}

首先，使用 assert 断言确保传入的队列指针 pq 非空。然后，判断队列中是否只有一个元素（即 pq->head->next == NULL ）。如果是，释放头节点的内存，并将头指针和尾指针都置为 NULL 。如果队列中有多个元素，保存头节点的下一个节点指针 next ，释放头节点的内存，然后将头指针更新为 next 。最后，将队列元素数量 pq->size 减 1 。

2.6 返回队列中元素的数量

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size;
}

首先，使用 assert 断言确保传入的队列指针 pq 非空。然后，直接返回 pq->size ，即队列的元素数量。 这个函数的作用就是简单地提供对队列元素数量的访问接口。

2.7 判断队列是否为空

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL && pq->tail == NULL; //д
}

首先，使用 assert 断言确保传入的队列指针 pq 非空。然后，通过判断队列的头指针 pq->head 和尾指针 pq->tail 是否都为 NULL 来确定队列是否为空。如果都为 NULL ，则表示队列为空，函数返回 true ；否则返回 false 。

2.8 返回队头元素的值，但不出队

int QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->head->data;
}

首先，使用 assert 断言确保传入的队列指针 pq 非空。然后，直接返回 pq->head->data ，即队头节点中存储的数据。但需要注意的是，如果此时队列为空，直接访问 pq->head->data 可能会导致运行时错误。在实际使用中，应该在调用此函数之前先判断队列是否为空。

2.9 返回队尾元素的值

int QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->tail->data;
}

首先，使用 assert 断言确保传入的 Queue 指针 pq 非空。然后，直接返回 pq->tail->data ，即队尾节点中存储的数据。

3 总结

队列是一种遵循 “先进先出”（First In First Out，FIFO）原则的数据结构。

其主要特点包括：

1. 操作受限：常见操作有入队（enqueue），将元素添加到队列末尾；出队（dequeue），移除队列头部的元素；查看队头元素（front）；判断队列是否为空（isEmpty）等。

2. 顺序存储或链式存储：可以用数组实现顺序队列，也可用链表实现链式队列。

3. 应用场景多样：常用于任务调度、缓冲区管理、广度优先搜索等。

队列的优势在于：

1. 保证元素按照进入的顺序依次出队，逻辑清晰简单。

2. 能有效地处理需要按顺序处理的任务或数据。

不过，队列也存在一些不足：

1. 对于顺序队列，可能存在假溢出问题，需要特殊处理。2. 空间利用率可能不高（如顺序队列的前面部分元素出队后，空间闲置）。

总之，队列在计算机科学中是一种基础且重要的数据结构，为许多算法和应用提供了有效的数据组织和处理方式。