【数据结构】队列（Queue）的实现 -- 详解-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【数据结构】队列（Queue）的实现 -- 详解。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

一、队列的概念及结构

1、概念

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、结构

（1）队列的顺序存储结构

入队，不需要移动任何元素，时间复杂度为 O(1) 。

出队，所有元素需要往前移动，时间复杂度为 O(N) 。

（2）队列的链表存储结构

首先我们定义两个指针，队头指针指向第一个节点，队尾指针指向尾节点。

入队（尾插），时间复杂度为 O(1) 。

出队（头删），时间复杂度为 O(1) 。

二、队列的实现

如果使用数组删除队头数据，再挪动数据效率为 O(N)，不适合。选择用单向链表来完成队列的实现更好，可以发现头删和尾插效率都很高，而双向链表在这里发挥不出很大的作用。

1、创建文件

test.c（主函数、测试队列各个接口功能）

Queue.c（队列接口函数的实现）

Queue.h（队列的类型定义、接口函数声明、引用的头文件）

2、Queue.h 头文件代码

// Queue.h
// 链式结构：表示队列
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdbool.h> //bool
#include<assert.h> // assert
#include<stdlib.h> // malloc

typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode // 队列节点结构
{ 
    struct QueueNode* next; // 节点指针
    QDataType data; // 节点数据
}QueueNode;

typedef struct Queue // 队列的链式结构
{ 
    QueueNode* head;  //队头指针
	QueueNode* tail;  //队尾指针
}Queue; 

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq); 
// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType data); 
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* pq); 
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq); 
// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq); 
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq); 
// 检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
bool QueueEmpty(Queue* pq);

三、Queue.c 中各个接口函数的实现

1、初始化队列

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

2、队列的销毁

// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QueueNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
    cur = NULL;
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

3、队尾入队列（尾插）

// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode)); // 动态申请一个节点
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL; // 尾节点next指针置空

	if (pq->head == NULL) // 队列为空
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else // 队列不为空
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode; // 更新队尾指针
	}
}

4、队头出队列（头删）

// 队头出队列
// 写法一：
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	//温柔处理方式：
	/* if(pq->head == NULL)
	    return; */

	//暴力处理方式：
	assert(!QueueEmpty(pq));

	QueueNode* next = pq->head->next; // 记录头节点的直接后继
	free(pq->head); // 释放头节点
	pq->head = next; // 更新队头指针
	if (pq->head == NULL) // 队列中只有一个节点
	{
		pq->tail = NULL;
	}
}

// 写法二：
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	//暴力处理方式：
	assert(!QueueEmpty(pq));

    if(pq->head->next == NULL) // 一个节点
    {
        free(pq->head);
        pq->head = pq->tail = NULL;
    }
    else // 多个节点
    {   
	    QueueNode* next = pq->head->next; // 记录头节点的直接后继
	    free(pq->head); // 释放头节点
	    pq->head = next; // 更新队头指针
    }
}

注意：链表只有一个节点时，要单独处理，否则可能会造成 pq->tail 野指针的情况。

5、获取队列头部元素

// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

6、获取队列队尾元素

// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

7、获取队列中有效元素个数

// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	int n = 0;
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		n++;
		cur = cur->next;
	}
	return n;
}

如果频繁调用这个接口函数，可以在 QueuePtr 中加一个 size 来记录数据的个数。

8、检查队列是否为空

// 检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
bool QueueEmpty(Queue* pq);
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL && pq->tail == NULL;
}

四、整合代码

// Queue.c
#include "Queue.h"

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QueueNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
    cur = NULL;
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode)); // 动态申请一个节点
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL; // 尾节点next指针置空

	if (pq->head == NULL) // 队列为空
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else // 队列不为空
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode; // 更新队尾指针
	}
}

// 队头出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	QueueNode* next = pq->head->next; // 记录头节点的直接后继
	free(pq->head); // 释放头节点
	pq->head = next; // 更新队头指针
	if (pq->head == NULL) // 队列中只有一个节点
	{
		pq->tail = NULL;
	}
}

// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	int n = 0;
	QueueNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		n++;
		cur = cur->next;
	}
	return n;
}

// 检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
bool QueueEmpty(Queue* pq);
{
	assert(pq);
	return pq->head == NULL && pq->tail == NULL;
}