C语言链表实现队列全解析

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C语言队列的链表实现

1. 引言

队列的基本概念：队列是一种先进先出（FIFO）的线性数据结构，常用于任务调度、缓冲区管理等场景。
解释为什么使用链表实现队列：链表提供动态内存管理，避免数组实现的固定大小限制，支持高效插入和删除操作。
文章目标：帮助读者掌握链表实现队列的原理、C语言编码技巧和实际应用。

2. 队列的基本概念

2.1 队列的定义
- 队列是一种受限的线性表，元素只能从队尾入队，从队头出队。
- 关键属性：FIFO原则，确保第一个进入的元素最先被移除。
2.2 队列的核心操作
- 入队（enqueue）：添加元素到队尾。
- 出队（dequeue）：移除队头元素。
- 检查队列状态：如判断队列是否为空（isEmpty）、获取队头元素（peek）等。
- 时间复杂度分析：理想情况下，入队和出队操作的时间复杂度为O(1)（常数时间）。

3. 链表实现队列的原理

3.1 链表节点及结构的设计

typedef int QueueDataType;  //数据结构类型

typedef struct QueueList    //队列节点结构体
{
	QueueDataType data;
	struct QueueList* next;
}QL;

typedef struct QLList       //QL数据清单
{
	QL* phead;
	QL* ptail;
	int size;
}QLL;

3.2 入队操作（enqueue）

步骤：动态分配新节点 → 设置新节点数据 → 将新节点链接到队尾 → 更新ptail指针。
特殊情况处理：当队列为空时，front和ptail同时指向新节点。
时间复杂度：O(1)，因为只需修改指针。

///尾插
void QueuePush(QLL* databag, QueueDataType x)
{
	assert(databag);
	QL* newspace = (QL*)malloc(sizeof(QL));
	
	if (newspace == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	//如果队列为空
	if (databag->phead == NULL)
	{
		databag->phead = databag->ptail = newspace;
		databag->phead->data = x;
		databag->phead->next = NULL;
	}
	//队列不为空
	databag->ptail->next = newspace;
	databag->ptail = databag->ptail->next;
	databag->ptail->data = x;
	databag->ptail->next = NULL;
	databag->size++;
}

3.3 出队操作（dequeue）
- 步骤：检查队列是否为空 → 移除队头节点 → 更新phead指针 → 释放内存。
- 特殊情况处理：当队列只剩一个元素时，出队后设置ptail为NULL。
- 时间复杂度O(1)。

//头删
void QueuePop(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	assert(databag->size>0);
	QL* pcur = databag->phead;
	databag->phead = databag->phead->next;
	free(pcur);
	databag->size--;
	pcur == NULL;
}

3.4 其他辅助操作

判断队列是否为空：检查size是否为0。

//判空
bool QueueEmpty(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	return databag->size == 0;
}

获取队头，队尾元素：返回data，但不移除元素。

//获取队头元素
QueueDataType QueueFront(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	assert(databag->phead);
	return databag->phead->data;
}

//获取队尾元素
QueueDataType QueueBack(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	assert(databag->phead);
	return databag->ptail->data;
}

销毁队列：遍历所有节点，释放内存。

//销毁
void QueueDestroy(QLL* databag)
{
	QL* cur = databag->phead;
	while (cur)
	{
		QL* next = cur->next; // 先存下一个节点
		free(cur);            // 释放当前节点
		cur = next;           // 移动到下一个节点
	}
	// 重置队列状态
	databag->phead = databag->ptail = NULL;
	databag->size = 0;

}

获取队列元素个数

//队列元素个数
int QueueSize(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	return databag->size;
}

4. C语言代码实现

4.1 完整代码示例

提供上述完整的C语言代码，包括节点定义、队列结构、初始化、入队、出队等函数。
代码使用标准库函数（如malloc、free），确保可移植性。

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

typedef int QueueDataType;  //数据结构类型

typedef struct QueueList    //队列节点结构体
{
	QueueDataType data;
	struct QueueList* next;
}QL;

typedef struct QLList       //QL数据清单
{
	QL* phead;
	QL* ptail;
	int size;
}QLL;



void QueueInit(QLL* databag);//队列初始化
void QueuePush(QLL* databag, QueueDataType x);///尾插
void QueuePop(QLL* databag);//头删
int QueueSize(QLL* databag);//队列元素个数
QueueDataType QueueFront(QLL* databag);//获取队头元素
QueueDataType QueueBack(QLL* databag);//获取队尾元素
bool QueueEmpty(QLL* databag);//判空
void QueueDestroy(QLL* databag);//销毁



Queue.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include "Queue.h"

//队列初始化
void QueueInit(QLL* databag)
{
	databag->phead = NULL;
	databag->size = 0;
	databag->ptail = NULL;
}

///尾插
void QueuePush(QLL* databag, QueueDataType x)
{
	assert(databag);
	QL* newspace = (QL*)malloc(sizeof(QL));
	
	if (newspace == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	//如果队列为空
	if (databag->phead == NULL)
	{
		databag->phead = databag->ptail = newspace;
		databag->phead->data = x;
		databag->phead->next = NULL;
	}
	//队列不为空
	databag->ptail->next = newspace;
	databag->ptail = databag->ptail->next;
	databag->ptail->data = x;
	databag->ptail->next = NULL;
	databag->size++;
}

//头删
void QueuePop(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	assert(databag->size>0);
	QL* pcur = databag->phead;
	databag->phead = databag->phead->next;
	free(pcur);
	databag->size--;
	pcur == NULL;
}

//队列元素个数
int QueueSize(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	return databag->size;
}

//获取队头元素
QueueDataType QueueFront(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	assert(databag->phead);
	return databag->phead->data;
}

//获取队尾元素
QueueDataType QueueBack(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	assert(databag->phead);
	return databag->ptail->data;
}

//判空
bool QueueEmpty(QLL* databag)
{
	assert(databag);
	return databag->size == 0;
}

//销毁
void QueueDestroy(QLL* databag)
{
	QL* cur = databag->phead;
	while (cur)
	{
		QL* next = cur->next; // 先存下一个节点
		free(cur);            // 释放当前节点
		cur = next;           // 移动到下一个节点
	}
	// 重置队列状态
	databag->phead = databag->ptail = NULL;
	databag->size = 0;

}