目录
一. 队列的基本概念
二. 队列实现方法的选择
2.1 引入
2.2 选择
三. 接口的实现✈
3.1 队列的声明
3.2 初始化和销毁
3.3 入队
3.4 出队
3.5 求队头元素
3.6 求队尾元素
3.7 判空
3.8 求队列的元素个数
3.9 总结
四. 完整代码及效果展示
队列和我们之前学习的栈一样,它也是一种特殊的线性表。它只允许在一端插入数据,在另一端删除数据,不允许对中间的元素进行操作,因而也不支持随机访问。队列具有先进先出的特性FIFO((First In First Out)。
入队: 队列 的插入操作叫做入队,插入数据的一端称作队头
出队: 队列 的删除操作叫做出队,删除数据的一端称作队尾
在上次栈的实现中,我们说到可以用顺序存储结构和链式存储结构来表示栈。经过之前我们的分析,我们选择了使用顺序表来实现栈,这是由于栈的插入删除操作完美适配顺序表尾插尾删效率高的特性。
有关两种方式的优缺点及比较,详细请参照往期文章:
【数据结构】带你深度理解栈
由于队列需要在两端进行操作,而顺序表在头部的操作效率很低,需要移动大量数据,直接pass掉。我们本期将采用单链表的形式来实现队列。特别的,为了提高单链表尾插的效率,除了必要的头指针我们又定义了一个尾指针指向链表的尾部,大幅提高了单链表尾插的效率。当然,实现队列的方式多种多样,并不是只能用单链表来实现队列。
本文我们采用带有头尾指针的 单链表来实现队列,队列的结构体的声明如下:
//单链表的结点
typedef int QueueDataType;
typedef struct QueueNode
{
QueueDataType data;
struct QueueNode* next;
}QueueNode;
//队列结构体
typedef struct Queue
{
QueueNode* first; //队列头
QueueNode* tail; //队列尾
}Queue;
老样子,我们不直接指定数据的类型,而是将类型重定义为STDataType,这样做有利于提高代码的可维护性。
在我们使用队列结构进行操作之前需要对其进行初始化,当我们不再使用它是要对它进行销毁,具体代码如下:
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
pq->first = pq->tail = NULL;//空队列,队头队尾指向空
}
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
assert(pq);
QueueNode* cur = pq->first;
//销毁每个结点
while (cur)
{
QueueNode* next = cur->next;//先把下一个结点的位置保存起来,避免销毁后找不到
free(cur);
cur = next;
}
pq->first = pq->tail = NULL;//队头队尾置空
}
由于队列只允许在固定的一端插入,我们又将链表尾当做队尾,因此入队就是尾插。在没有尾指针之前,我们还要先找到链表尾,但我们现在有了尾指针,一切都方便起来了。效果和代码如下:
//创建结点
static QueueNode* CreatNode(QueueDataType x)
{
QueueNode* ret=(QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
if (ret == NULL)
{
printf("%s", strerror(errno));
exit(-1);
}
ret->data = x;
ret->next = NULL;
return ret;
}
//入队
void QueueInsert(Queue* pq, QueueDataType x)
{
assert(pq);
QueueNode* newnode = CreatNode(x);
//为空队列
if (pq->tail == NULL)
{
pq->first = pq->tail = newnode;
}
else
{
//在队尾插入
pq->tail->next = newnode;
pq->tail = newnode;
}
}
插入前我们先创建结点,封装成一个函数并用static修饰,取消其外部链接属性使得只能在本文件中使用,不允许外部调用。之前我们说过,单链表的尾插要考虑链表是不是为空的情况,避免对空指针进行解引用导致出错。这里也是,要判断队列是否为空,分情况处理。
入队在链表尾,那么出队就是在链表头了;入队对应着链表的尾插,则出队就是头删。链表的头删很简单,只需要释放结点,将头指针指向下一个结点即可。效果如下:
但是,如果只是这样还不够!试想一下,当队列只剩下一个元素时,如果我们再进行出队,头指针没问题指向空,那尾指针呢?由于我们没有去修改,它指向了已经释放空间,显然是不合理的。因此在这种情况下我们还需将尾指针置为NULL。
//出队
void QueueErase(Queue* pq)
{
assert(pq&&pq->first);
//需注意,当队列只有一个元素时,删除后除了要修改first指针,还要修改tail指针
QueueNode* next = pq->first->next;
//只有一个元素
if (next == NULL)
{
free(pq->first);
pq->first = pq->tail=NULL;
}
else
{
//释放结点,修改头指针指向
free(pq->first);
pq->first = next;
}
}
很简单,我们可以直接根据头指针得到队头的元素,如下:
//求队头元素
QueueDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->first);//队列不为空
return pq->first->data;
}
一样的,通过尾指针可以快速定位队尾的位置,得到队尾的元素,如下:
//求队尾元素
QueueDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->tail);//队列不为空
return pq->tail->data;
}
当队列为空时,队头指针和队尾指针都为NULL,我们选其一判断即可。代码如下:
//判空
//使用bool类型需包含stdbool.h头文件
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
return pq->first == NULL;//如果为空返回true,不为空返回false
}
定义一个变量作为计数器,遍历链表并记录遍历过程中的结点个数:
//求队列元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
int count = 0;
QueueNode* cur = pq->first;
//进行遍历直到为空
while (cur)
{
count++;//计数器加1
cur = cur->next;//指向下一结点
}
return count;
}
老样子,我们采用多文件编写的形式,将上述接口的定义实现放在Queue.c文件中,然后将接口的声明和结构体的定义放于Queue.h头文件中,以达到封装的效果。这样我们如果需要使用队列,就只需要在文件中包含对应的头文件Queue.h就可以使用我们上面定义的各种接口。以下为本文实现的队列完整代码以及效果展示:
//Queue.h文件,用于声明接口函数,定义结构体
#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include
#include
//单链表的结点
typedef int QueueDataType;
typedef struct QueueNode
{
QueueDataType data;
struct QueueNode* next;
}QueueNode;
//队列结构体
typedef struct Queue
{
QueueNode* first; //队列头
QueueNode* tail; //队列尾
}Queue;
//初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);
//插入
void QueueInsert(Queue* pq, QueueDataType x);
//删除
void QueueErase(Queue* pq);
//求队头元素
QueueDataType QueueFront(Queue* pq);
//求队尾元素
QueueDataType QueueBack(Queue* pq);
//求队列元素个数
int QueueSize(Queue* pq);
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//Queue.c文件,用于定义接口函数
#include"Queue.h"
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
pq->first = pq->tail = NULL;//空队列,队头队尾指向空
}
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
assert(pq);
QueueNode* cur = pq->first;
//销毁每个结点
while (cur)
{
QueueNode* next = cur->next;//先把下一个结点的位置保存起来,避免销毁后找不到
free(cur);
cur = next;
}
pq->first = pq->tail = NULL;//队头队尾置空
}
//创建结点
static QueueNode* CreatNode(QueueDataType x)
{
QueueNode* ret=(QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
if (ret == NULL)
{
printf("%s", strerror(errno));
exit(-1);
}
ret->data = x;
ret->next = NULL;
return ret;
}
//入队
void QueueInsert(Queue* pq, QueueDataType x)
{
assert(pq);
QueueNode* newnode = CreatNode(x);
//为空队列
if (pq->tail == NULL)
{
pq->first = pq->tail = newnode;
}
else
{
//在队尾插入
pq->tail->next = newnode;
pq->tail = newnode;
}
}
//出队
void QueueErase(Queue* pq)
{
assert(pq&&pq->first);
//需注意,当队列只有一个元素时,删除后除了要修改first指针,还要修改tail指针
QueueNode* next = pq->first->next;
//只有一个元素
if (next == NULL)
{
free(pq->first);
pq->first = pq->tail=NULL;
}
else
{
//释放结点,修改头指针指向
free(pq->first);
pq->first = next;
}
}
//求队头元素
QueueDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->first);//队列不为空
return pq->first->data;
}
//求队尾元素
QueueDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(pq->tail);//队列不为空
return pq->tail->data;
}
//求队列元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
int count = 0;
QueueNode* cur = pq->first;
//进行遍历直到为空
while (cur)
{
count++;//计数器加1
cur = cur->next;//指向下一结点
}
return count;
}
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
return pq->first == NULL;//如果为空返回true,不为空返回false
}
最后, 我们在test.c文件调用队列各个接口进行测试,如下:
//test.c文件,用于测试
#include"Queue.h"
void test01()
{
Queue que;
//初始化
QueueInit(&que);
//求元素个数
printf("入队前队列的元素个数为:%d\n", QueueSize(&que));
//入队,插入5个元素
for (int i = 1; i <= 5; i++)
{
QueueInsert(&que, i);
}
printf("入队后队列的元素个数为:%d\n", QueueSize(&que));
//由于无法遍历打印,我们就交替使用 求队头元素-出队 来显示队中元素
printf("队中元素:> ");
while (!QueueEmpty(&que))
{
//求队头元素
printf("%d ", QueueFront(&que));
//出队
QueueErase(&que);
}
//全部出队
printf("\n全部出队后队列的元素个数为:%d\n", QueueSize(&que));
//销毁
QueueDestroy(&que);
}
int main()
{
test01();
return 0;
}
以下是测试的最终效果:
以上,就是本期的全部内容啦
制作不易,能否点个赞再走呢