C语言数据结构初阶(7)----队列

· CSDN的uu们，大家好。这里是C语言数据结构的第七讲。
· 目标：前路坎坷，披荆斩棘，扶摇直上。
· 博客主页： @姬如祎

1. 队列的基础知识

队列（queue）是只允许在一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作的线性表。

队列是一种先进先出（First In First Out）的线性表，简称FIFO。允许插入的一端称为队尾，允许删除的一端称为队头。

2. 链式存储OR顺序存储

线性表有顺序存储和链式存储，栈是线性表，具有这两种存储方式。同样，队列作为一种特殊的线性表，也同样存在这两种存储方式。

2.1 队列顺序存储的不足

顺序存储的队列就是用数组哈！数组下标为0的一端即是队头。入队列就是在队尾插入一个数据，对于数组而言，不需要移动任何元素，因此时间复杂度是O(1)。

但是在出队列时如果徐翔浪费任何空间的话，就需要将全部数据前移。时间复杂度也就是O(N)。

当然你也可以参照数组模拟队列的思路，维护两个指针：front，rear。front指向队头的元素，rear指向队尾元素。出队列的时候仅需要将front加一即可。这样以来就有空间的浪费。如此看来使用顺序结构来实现队列不是很理想。如果已经确定了队列的元素个数，你可以使用循环队列，这样一来数组来实现队列就是非常完美的事了！关于循环队列，会在栈与队列刷题的那一节提及。

2.2 队列的链式存储

队列的链式存储结构，其实就是线性表的单链表，只不过他只能尾进头出而已，我们把它简称为链队列。

入队就是链表的尾插，我们知道如果不做任何处理的话，单链表尾插的时间复杂度是O(N)，为了使得时间复杂度是O(1)，我们需要维护一个指针，让他指向链表的尾节点，即是队尾。

出队就是链表的头删，这个操作的时间复杂度是O(1)。

队列的链式存储能够在O(1) 的时间复杂度内实现各种操作，也没有浪费空间。所以我们优先考虑用链表实现队列。

因为我们既要维护指向链表头结点的指针，又要维护指向链表尾节点的指针，并且我们还需要维护一个变量size来记录队列的大小，所以我们将这些变量封装在一个结构体里面，便于操作。

当然你也可以不这么做，那么在函数传参的时候你就需要传多个参数。并且涉及指针的改变，形参还必须是二级指针。

如果有不理解的地方请参考：
http://t.csdn.cn/QXmxD

是不是相当滴麻烦。那么我们就将它们封装成一个结构体吧！

3. 函数接口一览

#include
#include
#include
#include

//方便维护
typedef int QueueDataType;

//实现队列的链表的节点
typedef struct QueueNode
{
    struct QueueNode* next;
    QueueDataType data;
} QueueNode;

//将需要维护的head，tail，size封装成结构体
typedef struct Queue
{
    QueueNode* head;
    QueueNode* tail;
    int size;
} Queue;

//队列的初始化
void QueueInit(Queue* pq);

//队列的销毁
void QueueDestory(Queue* pq);

//队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);

//队尾增加元素
void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x);

//出队列
void QueuePop(Queue* pq);

//队列的元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

//队头元素
QueueDataType QueueFront(Queue* pq);

//队尾元素
QueueDataType QueueBack(Queue* pq);

4. 函数接口的实现

4.1 void QueueInit(Queue* pq) 函数的实现

队列的初始化需要我们做什么呢？将我们封装的结构体里面的变量赋初值！注意对pq的断言，防止发生空指针的解引用。

//队列的初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
    //断言
    assert(pq);
    //赋初值
    pq->head = pq->tail = NULL;
    pq->size = 0;
}

4.2 void QueueDestory(Queue* pq) 函数的实现

销毁队列的主要目的：释放堆区开辟的空间，也就是释放单链表的每一个节点。这当然需要遍历呀！我们维护一个指针，例如：cur，用其遍历单链表，让后将遍历到的节点释放。注意保存释放节点的下一个节点就行。还别忘了将我们维护的三个变量：head，tail，size处理一下，防止出现野指针。

//队列的销毁
void QueueDestory(Queue* pq)
{
    //断言，防止空指针的解引用
    assert(pq);
    //cur指针遍历链表
    QueueNode* cur = pq->head;
    while (cur)
    {
        //保存cur指针的下一个节点
        QueueNode* next = cur->next;
        //释放cur指向的节点
        free(cur);
        //迭代
        cur = next;
    }
    //处理
    pq->head = pq->tail = NULL;
    pq->size = 0;
}

4.3 bool QueueEmpty(Queue* pq) 函数的实现

这个函数的实现有两种方式：

1：就是判断一下头指针是否为空指针就行，头指针为空就说明了链表没有节点，也就说明了队列为空。队列为空时，尾节点此时也是空指针的哦！

2：我们不是维护了一个变量size嘛，其记录了队列的大小，我们只需要判断size是不是0就ok啦！

//队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
    //断言，防止空指针的解引用
    assert(pq);
    //one way
    //return pq->size == 0;

    //another way
    return pq->head == NULL;
}

4.4 void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x) 函数的实现

前面也提到了，入队列的操作就是在链表的尾部插入节点。我们传入的是结构体的指针，想要改变结构体里面的head指针，tail指针是可以做到的，因此队列入数据时注意改变head指针和tail指针就行。

当队列为空时需要特殊处理一下：同时改变head和tail指向开辟的新节点。

//队尾增加元素
void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x)
{
    //断言，防止空指针的解引用
    assert(pq);
    //开辟新的节点
    QueueNode* newNode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
    if (newNode == NULL)
    {
        perror("QueuePush::malloc");
        exit(-1);
    }
    else
    {
        //数据域赋值
        newNode->data = x;
        newNode->next = NULL;
        //当队列为空时
        if (!pq->head)
        {
            pq->head = pq->tail = newNode;
        }
        else
        {
            //链表不为空时
            pq->tail->next = newNode;
            pq->tail = newNode;
        }
        pq->size++;
    }
}

4.5 void QueuePop(Queue* pq)的实现

出队列操作，就是链表的头删。理论上我们只需要释放头结点，改变head指针的指向就行。但是，当队列剩下最后一个元素时如果还是仅改变head指针的指向，那么tail指针就会是一个野指针，这样做显然是不正确的。因此我们需要对队列只有一个元素的情况进行特殊判断。

//出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
    //防止空指针的解引用
    assert(pq);
    //队列为空不允许出队列
    assert(!QueueEmpty(pq));

    //one way
    //对一个节点的情况处理
    if (pq->head == pq->tail)
    {
        free(pq->head);
        pq->head = pq->tail = NULL;
    }
    else
    {
        //队列中的元素大于一个
        QueueNode* next = pq->head->next;
        free(pq->head);
        pq->head = next;
    }
    //更新size
    pq->size--;

    //another way
    // 都是处理队列中只有一个元素的情况，只不过实现的方式不同
    //QueueNode* next = pq->head->next;
    //free(pq->head);
    //pq->head = next;
    //pq->size--;
    //if (pq->head == NULL)
    //    pq->tail = NULL;
}

4.6 int QueueSize(Queue* pq)函数的实现

我们只需要返回我们维护的size变量的值就行。

//队列的元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    return pq->size;
}

4.7 QueueDataType QueueFront(Queue* pq)函数的实现

我们维护了一个指针head，它指向的就是队头元素，返回该节点的打他即可。

//队头元素
QueueDataType QueueFront(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    //队列为空不允许查看队头数据
    assert(!QueueEmpty(pq));
    return pq->head->data;
}

4.8 QueueDataType QueueBack(Queue* pq)函数的实现

我们维护了一个指针tail，它指向的就是队尾元素，我们只需要返回该节点的data即可。

//队尾元素
QueueDataType QueueBack(Queue* pq)
{
    assert(pq);
    assert(!QueueEmpty(pq));
    return pq->tail->data;
}