重生之我在学数据结构——队列

一.队列的概念

队列是一种先进先出(First In First Out ，FIFO)的数据结构，可以简单理解为排队的概念。在队列中，数据项按照插入的顺序排列，并且只能在队列的一端插入（称为队尾），在另一端删除（称为队头）。

先进先出的概念就是先进队列的数据就会先出队列。比如入队顺序为1、2、3、4，那么出队列的顺序只有1、2、3、4这一种可能性。 

如果我们要选择结构来实现队列的话，应该选谁呢？

数组的话，因为涉及到队头出数据。数组的话，删除第一个数据的话，后面所有的数据都得往前挪，所以我们不考虑数据。

单链表的话，入数据就是尾插，出数据就是头删。队列会频繁的插入与删除数据，而链表相比于数组的有点就在于可以频繁的插入删除。所以我们可以利用单链表来实现队列。

二.队列结构的设计

队列既然要由链表实现，那么我们就要设计节点。节点只需要有数据域（保存队列待存的数据）和指针域（指向下一个节点的指针）。

在队列中，涉及的入数据和出数据分别对应着链表的头和尾，所以我们需要定义一个头节点和一个尾节点。

根据以上两点，我们可以先设计出队列节点的结构：

typedef int QueueDataType;

//队列中的节点
typedef struct QueueListNode
{
	QueueDataType a;
	struct QueueListNode* next;
}QueueNode;

而对于一条队列来说，我们需要头节点和尾节点，所以我们可以在创建一个结构体Queue，专门用来维护队列。

队列中有的接口是返回有效元素的个数，我们可以在维护队列的结构体中加一个size变量，用来记录当前队列的有效元素个数。如果不这样的话，我们就得遍历链表，会浪费时间。

//队列
typedef struct Queue
{
	QueueNode* _front;
	QueueNode* _back;
	int size;
}Queue;

三.队列的初始化和销毁

3.1队列的初始化

队列初始化，也就是对头节点和尾节点的初始化，我们开始时没有必要开辟空间，只需要在插入数据时在malloc空间即可。所以我们刚开始直接让头尾节点的指针指向NULL，size置为0。

//队列的初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	pq->_front = NULL;
	pq->_back = NULL;
	pq->size = 0;
}

3.2队列的销毁

我们前面设计，由一条单链表来维护队列，所以队列的销毁其实就是链表的销毁。我们只需要遍历链表，一个节点一个节点的销毁即可。

//队列的销毁
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	QueueNode* cur = pq->_front;
	while (cur)
	{
		QueueNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->_front = NULL;
	pq->_back = NULL;
	pq->size = 0;
}

四.入队列

队列插入数据的时候只能从队尾进行插入，对于单链表来说其实就是尾插。要注意的就是，每插入一个数据，size就要++。

//入队尾
void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x)
{
	assert(pq);

	//创建新节点
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("QueuePush()::malloc()");
		return;
	}
	newnode->a = x;
	newnode->next = NULL;

	//空队列
	if (pq->size == 0)
	{
		pq->_front = newnode;
		pq->_back = newnode;
	}
	else//非空队列
	{
		pq->_back->next = newnode;
		pq->_back = newnode;
	}

	pq->size++;
}

五.出队列

队列出数据只能从队头出数据，这样才能保证先进先出规则。而在这里其实就是头删。删除的前提是队列不为空。

头删的时候，我们只需要保存头节点的下一个节点next，然后free掉头节点，再让头节点指向head。

但是这种方式可能会造成野指针。 

当队列只有一个元素的时候，按照这种方式的确会将该节点删除，头节点置为NULL。但是指向尾节点的指针并没有改变指向，也就是说这时候为尾指针成了野指针。等到我们下一次插入数据的话，对尾指针进行解引用就会出错。

所以我们应该判断一下只有一个元素的时候，只有一个元素的时候，直接free掉头节点，然后头指针和尾指针都置为NULL。

删除之后size需要--。

//出队头
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->size > 0);//队列不能为空

	//队列中只有一个元素
	if (pq->_front == pq->_back)
	{
		free(pq->_front);
		pq->_front = NULL;
		pq->_back = NULL;
	}
	else//队列有多个元素
	{
		QueueNode* next = pq->_front->next;
		free(pq->_front);
		pq->_front = next;
	}
	pq->size--;
}

六.获取队头元素

获取队头元素我们直接返回头指针指向节点的数据即可。但是要保证队列不为空。

//获取队头元素
QueueDataType GetQueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->size > 0);

	return pq->_front->a;
}

七.获取队尾元素

获取队尾元素我们直接返回尾指针指向节点的数据即可。同样要保证队列不为空。

//获取队尾元素
QueueDataType GetQueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->size > 0);

	return pq->_back->a;
}

八.获取队列有效元素个数

返回size即可。

//获取队列元素个数
int GetQueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size;
}

九.判空

判空只需要判断size是否为0即可。

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