数据结构：队列和循环队列-C语言实现
文章目录
- 队列
-
- 一. 队列的概念
- 二. 普通的队列
-
- 2.1 前言
- 2.2 定义队列
- 2.3 函数接口
-
- 2.3.1 队列初始化
- 2.3.2 打印队列
- 2.3.3 判断队列为不为空
- 2.3.4 入队
- 2.3.5 出队
- 2.3.6 获取队头队尾元素
- 2.3.7 获取队列大小
- 2.3.8 销毁队列
- 2.4 Queue.h文件
- 2.5 Queue.c文件
- 2.6 main.c文件
- 三. 循环队列
-
- 3.1 前言
- 3.2 定义循环队列
- 3.3 函数接口
-
- 3.3.1 初始化
- 3.3.2 打印
- 3.3.3 判空
- 3.3.4 判满
- 3.3.4 入队
- 3.3.5 出队
- 3.3.6 取队头元素
- 3.3.7 取队尾元素
- 3.3.8 销毁
- 3.4 CircleQueue.h文件
- 3.5 CircleQueue.c文件
- 3.6 main.c文件
- 四. 结语
之前的文章：
- 数据结构：顺序表-C语言实现
- 数据结构：链表-C语言实现
- 数据结构：栈-C语言实现
队列
一. 队列的概念
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
二. 普通的队列
2.1 前言
队列可以用数组和链表的结构实现，使用链表的结构实现更优一些，因为使用数组的结构，出队列在数组头上出数据，效率会比较低。我们这次的队列由链表实现，如下图所示，队列的主体部分为链表，有两个指针，
head指针指向队头，tail指针指向队尾，出队在队头，入队在队尾。本次队列的实现共创建了三个文件，分别是Queue.h,Queue.c,和main.c文件。下面我们先把队列的结构体定义和各个函数接口实现，最后再把三个文件的代码分享出来。
2.2 定义队列
// 重命名数据类型名
typedef int QDataType;
// 定义链表
typedef struct QListNode
{
// 存放数据
QDataType data;
// 指向下一个节点的指针
struct QListNode* next;
}QListNode;
// 定义队列
typedef struct Queue
{
// 队头指针
QListNode* head;
// 队尾指针
QListNode* tail;
}Queue;
2.3 函数接口
2.3.1 队列初始化
// 初始化
void QueueInit(Queue* queue)
{
// 判空
assert(queue); // 防止传进的是空指针
queue->head = NULL;
queue->tail = NULL;
}
assert是一个断言函数，程序运行的时候，当括号里面的结果为假时，就会停止运行并且报错。报错显示的信息包括断言语句括号的内容和断言的位置（在哪个文件，哪一行），还有一个错误框，如下图所示。断言能够快速地帮我们定位程序的错误，在实际开发中可以减少很多不必要的麻烦，所以建议大家在写代码的时候也尽量在需要的时候加上断言。
2.3.2 打印队列
// 打印
void QueuePrint(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 定义一个指针指向队头
QListNode* cur = queue->head;
// 从队头遍历到队尾
while (cur)
{
// 打印当前节点的值
printf("%d --> ", cur->data);
// 迭代
cur = cur->next;
}
printf("\n");
}
2.3.3 判断队列为不为空
// 判空
// 为空返回true,不为空返回false
bool QueueEmpty(Queue* queue)
{
assert(queue);
return queue->head == NULL;
}
2.3.4 入队
// 入队
void QueuePush(Queue* queue, QDataType x)
{
assert(queue);
// 向内存申请一个节点
QListNode* newnode = (QListNode*)malloc(sizeof(QListNode));
// 判空
assert(newnode); // 防止申请失败而导致崩溃
// 给新节点初始化赋值
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
// 判断是不是第一个节点入队
if (queue->head == NULL)
{
// 是第一个节点，让head和tail都指向新节点
queue->head = newnode;
queue->tail = newnode;
}
else
{
// 队尾节点的next指向新节点
queue->tail->next = newnode;
// 让新节点变成队尾节点
queue->tail = newnode;
}
}
2.3.5 出队
// 出队
void QueuePop(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 判空
assert(!QueueEmpty(queue)); // 防止是空队列还出队，导致崩溃
// 申请一个指针指向队头节点
QListNode* tmp = queue->head;
// 判断是不是最后一个节点
if (queue->head->next == NULL)
{
// 是最后节让tail指向NULL
queue->tail = NULL;
}
// 出队
queue->head = queue->head->next; // 如果是最后一个节点，head也会指向NULL
// 释放出队节点
free(tmp);
tmp = NULL;
}
2.3.6 获取队头队尾元素
// 取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 判空
assert(!QueueEmpty(queue));
//返回队头数据
return queue->head->data;
}
// 取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 判空
assert(!QueueEmpty(queue));
// 返回队尾数据
return queue->tail->data;
}
2.3.7 获取队列大小
// 获取队列大小
int QueueSize(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 定义一个变量统计大小
int count = 0;
// 定义一个指针遍历队列
QListNode* cur = queue->head;
while (cur)
{
count++;
// 迭代
cur = cur->next;
}
return count;
}
2.3.8 销毁队列
// 销毁
void QueueDestroy(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 队列不为空，就一直出队
while (!QueueEmpty(queue))
{
// 调用写好的出队接口
QueuePop(queue);
}
}
2.4 Queue.h文件
#pragma once // 防止头文件被重复包含
// 包含头文件
#include2.5 Queue.c文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS // 这句是我的VS2022用scanf报错才加的，大家可以不用理
#include"Queue.h"
// 初始化
void QueueInit(Queue* queue)
{
// 判空
assert(queue); // 防止传进的是空指针
queue->head = NULL;
queue->tail = NULL;
}
// 打印
void QueuePrint(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 定义一个指针指向队头
QListNode* cur = queue->head;
// 从队头遍历到队尾
while (cur)
{
// 打印当前节点的值
printf("%d --> ", cur->data);
// 迭代
cur = cur->next;
}
printf("\n");
}
// 入队
void QueuePush(Queue* queue, QDataType x)
{
assert(queue);
// 向内存申请一个节点
QListNode* newnode = (QListNode*)malloc(sizeof(QListNode));
// 判空
assert(newnode); // 防止申请失败而导致崩溃
// 给新节点初始化赋值
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
// 判断是不是第一个节点入队
if (queue->head == NULL)
{
// 是第一个节点，让head和tail都指向新节点
queue->head = newnode;
queue->tail = newnode;
}
else
{
// 队尾节点的next指向新节点
queue->tail->next = newnode;
// 让新节点变成队尾节点
queue->tail = newnode;
}
}
// 出队
void QueuePop(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 判空
assert(!QueueEmpty(queue)); // 防止是空队列还出队，导致崩溃
// 申请一个指针指向队头节点
QListNode* tmp = queue->head;
// 判断是不是最后一个节点
if (queue->head->next == NULL)
{
// 是最后节让tail指向NULL
queue->tail = NULL;
}
// 出队
queue->head = queue->head->next; // 如果是最后一个节点，head也会指向NULL
// 释放出队节点
free(tmp);
tmp = NULL;
}
// 取队头元素
QDataType QueueFront(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 判空
assert(!QueueEmpty(queue));
//返回队头数据
return queue->head->data;
}
// 取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 判空
assert(!QueueEmpty(queue));
// 返回队尾数据
return queue->tail->data;
}
// 获取队列大小
int QueueSize(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 定义一个变量统计大小
int count = 0;
// 定义一个指针遍历队列
QListNode* cur = queue->head;
while (cur)
{
count++;
// 迭代
cur = cur->next;
}
return count;
}
// 判空
// 为空返回true,不为空返回false
bool QueueEmpty(Queue* queue)
{
assert(queue);
return queue->head == NULL;
}
// 销毁
void QueueDestroy(Queue* queue)
{
assert(queue);
// 队列不为空，就一直出队
while (!QueueEmpty(queue))
{
// 调用写好的出队接口
QueuePop(queue);
}
}
2.6 main.c文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS // 这句是我的VS2022用scanf报错才加的，大家可以不用理
#include"Queue.h"
int main()
{
Queue queue;
QueueInit(&queue);
QueuePush(&queue, 1);
QueuePush(&queue, 2);
QueuePush(&queue, 3);
QueuePush(&queue, 4);
//QueuePop(&queue);
//QueuePop(&queue);
//QueuePop(&queue);
//QueuePop(&queue);
//QueuePop(&queue);
//QueuePrint(&queue);
printf("%d\n", QueueSize(&queue));
//printf("%d\n", QueueFront(&queue));
//printf("%d\n", QueueBack(&queue));
QueueDestroy(&queue);
return 0;
}
三. 循环队列
3.1 前言
循环队列，一般情况下是定长的，有两个指针分别指向队头和队尾的下一个下标。如下图，左边是它的一个逻辑结构，实际上实现是用循环链表或者数组实现，我们这次是采用数组去实现。如下图的右边就是左边对应的状态，**初始状态下队头指针
front和队尾指针rear都指向第一个位置。为了方便后面判满、判空，我们在申请数组空间的时候往往会多申请一个空间。**所以说下面的队列大小为7，实际申请的数组大小是8个元素空间。有数据的状态下，队头指针front指向队头元素，队尾指针rear指向队尾元素的下一个位置。本次队列的实现共创建了三个文件，分别是CircleQueue.h,CircleQueue.c,和main.c文件。下面我们先把队列的结构体定义和各个函数接口实现，最后再把三个文件的代码分享出来。
3.2 定义循环队列
// 重定义数据类型名
typedef int CQDataType;
typedef struct CircleQueue
{
// 队列存放数据的数组
CQDataType* arr;
// 队列的大小
int size;
// 队头
int front;
// 队尾
int rear;
}CircleQueue;
3.3 函数接口
3.3.1 初始化
// 初始化
void CircleQueueInit(CircleQueue* cq, int size)
{
// 判空
assert(cq); // 防止cq是空指针
// 向内存申请队列的空间
cq->arr = (CQDataType*)malloc(sizeof(CQDataType) * (size + 1)); // 申请的时候申请size + 1个空间
cq->size = size;
cq->front = 0;
cq->rear = 0;
}
3.3.2 打印
- 循环队列的空间是循环利用的，如下图所示，实际在队列的元素是从队头队尾的三个元素，也就是黑色字体的几个。下图的右边，黑色字体表示在队列的元素，红色字体是不在队列的，当新的数据入队时直接覆盖红色的元素就好了。下图的右边可以看成是实际情况下数组的状态，左边的是想象的状态，也就是说把红色字体的数据忽略。下面代码
cur迭代的时候要模上数组大小size + 1，是为了预防想下图这种情况，rear在front的左边。后面代码要模上size + 1，也是这个原因。
// 打印
void CircleQueuePrint(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
// 从队头开始遍历
int cur = cq->front;
while (cur != cq->rear)
{
printf("%d ", cq->arr[cur]);
cur = (cur + 1) % (cq->size + 1); // 这里
}
printf("\n");
}
3.3.3 判空
// 判空
bool CircleQueueEmpty(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
return cq->front == cq->rear;
}
3.3.4 判满
// 判满
bool CircleQueueFull(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
return (cq->rear + 1) % (cq->size + 1) == cq->front;
}
3.3.4 入队
// 入队
void CircleQueuePush(CircleQueue* cq, CQDataType x)
{
assert(cq);
// 判满
assert(!CircleQueueFull(cq)); // 防止队列满了还入队
cq->arr[cq->rear] = x;
cq->rear = (cq->rear + 1) % (cq->size + 1);
}
3.3.5 出队
// 出队
CQDataType CircleQueuePop(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
// 判空
assert(!CircleQueueEmpty(cq)); // 防止队列空了，还继续出队
// 记录出队元素
CQDataType val = cq->arr[cq->front];
// 出队
cq->front = (cq->front + 1) % (cq->size + 1);
// 返回出队元素
return val;
}
3.3.6 取队头元素
// 取队头
CQDataType CircleQueueFront(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
assert(!CircleQueueEmpty(cq));
return cq->arr[cq->front];
}
3.3.7 取队尾元素
- 下面的图片，
index表示队尾元素下标，左右两边是不同的两种情况，他们对index的取值都能满足他们各自的情况，把他们综合一下得出的index取值，能满足所有情况。
// 取队尾
CQDataType CircleQueueRear(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
assert(!CircleQueueEmpty(cq));
// 队尾元素的下标
int index = (cq->rear -1 + (cq->size + 1)) % (cq->size + 1);
return cq->arr[index];
}
3.3.8 销毁
// 销毁
void CircleQueueDestroy(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
// 释放数组空间
free(cq->arr);
// 指针置空，变量置零
cq->arr = NULL;
cq->front = 0;
cq->rear = 0;
cq->size = 0;
}
3.4 CircleQueue.h文件
#pragma once // 防止头文件被重复包含
// 包含头文件
#include3.5 CircleQueue.c文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS // 这句是我的VS2022用scanf报错才加的，大家可以不用理
#include"CircleQueue.h"
// 初始化
void CircleQueueInit(CircleQueue* cq, int size)
{
// 判空
assert(cq); // 防止cq是空指针
// 向内存申请队列的空间
cq->arr = (CQDataType*)malloc(sizeof(CQDataType) * (size + 1)); // 申请的时候申请size + 1个空间
cq->size = size;
cq->front = 0;
cq->rear = 0;
}
// 打印
void CircleQueuePrint(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
// 从队头开始遍历
int cur = cq->front;
while (cur != cq->rear)
{
printf("%d ", cq->arr[cur]);
cur = (cur + 1) % (cq->size + 1); // 这里
}
printf("\n");
}
// 入队
void CircleQueuePush(CircleQueue* cq, CQDataType x)
{
assert(cq);
// 判满
assert(!CircleQueueFull(cq)); // 防止队列满了还入队
cq->arr[cq->rear] = x;
cq->rear = (cq->rear + 1) % (cq->size + 1);
}
// 出队
CQDataType CircleQueuePop(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
// 判空
assert(!CircleQueueEmpty(cq)); // 防止队列空了，还继续出队
// 记录出队元素
CQDataType val = cq->arr[cq->front];
// 出队
cq->front = (cq->front + 1) % (cq->size + 1);
// 返回出队元素
return val;
}
// 取队头
CQDataType CircleQueueFront(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
assert(!CircleQueueEmpty(cq));
return cq->arr[cq->front];
}
// 取队尾
CQDataType CircleQueueRear(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
assert(!CircleQueueEmpty(cq));
// 队尾元素的下标
int index = (cq->rear -1 + (cq->size + 1)) % (cq->size + 1);
return cq->arr[index];
}
// 判空
bool CircleQueueEmpty(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
return cq->front == cq->rear;
}
// 判满
bool CircleQueueFull(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
return (cq->rear + 1) % (cq->size + 1) == cq->front;
}
// 销毁
void CircleQueueDestroy(CircleQueue* cq)
{
assert(cq);
// 释放数组空间
free(cq->arr);
// 指针置空，变量置零
cq->arr = NULL;
cq->front = 0;
cq->rear = 0;
cq->size = 0;
}
3.6 main.c文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS // 这句是我的VS2022用scanf报错才加的，大家可以不用理
#include"CircleQueue.h"
int main()
{
CircleQueue cq;
CircleQueueInit(&cq, 4);
CircleQueuePush(&cq, 1);
CircleQueuePush(&cq, 2);
CircleQueuePush(&cq, 3);
CircleQueuePush(&cq, 4);
CircleQueuePop(&cq);
CircleQueuePush(&cq, 5);
CircleQueuePop(&cq);
CircleQueuePush(&cq, 6);
CQDataType front = CircleQueueFront(&cq);
CQDataType rear = CircleQueueRear(&cq);
CQDataType pop = CircleQueuePop(&cq);
printf("%d\n", front);
printf("%d\n", rear);
printf("%d\n", pop);
//CircleQueuePop(&cq);
//CircleQueuePop(&cq);
//CircleQueuePop(&cq);
//CircleQueuePush(&cq, 5);
//CircleQueuePush(&cq, 6);
//CircleQueuePush(&cq, 7);
//CircleQueuePop(&cq);
//CircleQueuePop(&cq);
CircleQueuePrint(&cq);
CircleQueueDestroy(&cq);
return 0;
}
四. 结语
本文是博主学完这章内容后的个人总结，要是文章里有什么错误还望各位大神指正。或者对我的文章排版和其他方面有什么建议，也可以在评论区告诉我。这篇文章被归纳于《数据结构初级阶段-C语言实现》，这个专栏包括的知识点有顺序表、链表、栈、队列、树、排序算法。按照顺序更新，现在已经更新到队列，树和排序算法会在后面更新。如果我的文章对你的学习有帮助，或者觉得写得不错的话记得分享给你的朋友，非常感谢。