数据结构-队列及其链表方式实现

目录

1.队列的概念

二.队列的实现

1.基本结构

2.常见接口

1.QueueInit函数-对队列结构进行初始化

2.QueuePush函数-队尾入队列

3.QueuePop函数-队头出数据

4.QueueBack函数-获取队尾元素

5.QueueSize函数-获取队列有效元素个数

6.QueueEmpty函数-判断队列是否为空

7.QueueDestroy函数-队列的销毁

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1.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.队列的实现

队列也可以用顺序表和链表的结构实现，但是由于需要进行一端插入一端删除的操作，如果使用数组的结构，在顺序表头上出数据，需要移动n-1个数据,时间复杂度为O(n),效率会比较低。因此使用链表的结构实现更优一些。我们知道，链表对头部进行操作时间复杂度为O(1)，对尾部操作则需要进行‘找尾’操作遍历链表，时间复杂度为O(n)。那么如何在队列实现中提高效率呢？下面我们介绍队列实现的结构。

1.基本结构

typedef int QDataType;

// 链式结构：表示队列 
typedef struct QListNode
{
	struct QListNode* _next;
	QDataType _data;
}QNode;

// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
	QNode* _front;	//头指针
	QNode* _rear;	//尾指针
}Queue;

其中STDataType为重定义数据类型，这样定义有利于我们通过简便的修改，达到使栈存放不同类型数据的目的。

QNode为链表结点的基础结构，变量_data用于存放数据，而_next为指向下一个结点的指针。

Queue用于对队列进行管理，其头指针_front指向链表头结点，尾指针_rear指向链表尾结点。利用此结构存储头尾结点，即解决了前文尾部操作效率的问题，使其时间复杂度变为O(1)。

2.常见接口

// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q);
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data);
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q);
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q);
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q);
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q);
// 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 
int QueueEmpty(Queue* q);
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q);

1.QueueInit函数-对队列结构进行初始化

这里需要我们先创建一个队列结构变量，再调用QueueInit函数传入参数对其进行初始化。同理这里也可以实现为QueueCreate函数，即在函数内利用动态内存开辟完成对队列空间指针的创建，并在进行初始化后返回该指针，这里不多赘述，此处介绍前者。

void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);

	q->_front = NULL;
	q->_rear = NULL;
}

先进行断言防止传入指针为空，然后初始化其内部变量指针为NULL。

2.QueuePush函数-队尾入队列

void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);

	QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newNode == NULL)
	{
		printf("malloc error\n");
		exit(-1);
	}
	newNode->_data = data;
	newNode->_next = NULL;

	if (q->_front == NULL)
	{
		q->_front = newNode;
		q->_rear = newNode;
	}
	else
	{
		q->_rear->_next = newNode;
		q->_rear = newNode;
	}
}

要插入新数据，则要通过动态内存分配创建新结点指针newnode用于存放数据，当然还需要对开辟是否成功进行判断，若失败，则打印错误信息。若成功，则先初始化新结点，然后进行尾插。此处尾插和链表插入操作相同，不进行赘述。只需注意若队列为空，插入时将newnode赋值给_front和_rear，若队列不为空，则只需将新结点插入尾部，并更新尾部指针_rear。

3.QueuePop函数-队头出数据

void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(q->_front && q->_rear);

	QNode* next = q->_front->_next;
	free(q->_front);
	q->_front = next;
	if (q->_front == NULL)
		q->_rear = NULL;
}

此处需要防止队列为空，故进行断言。然后进行头删操作即可，这也在链表里介绍过。只需额外注意若队列只有一个数据进行头删，则需要将_rear置为空。下面图解说明这一点：

如图，若队列大于1个元素，则释放p1结点，_front指向下一个元素即可。

 然而按照上面的逻辑，当队列只有一个元素时，我们发现_rear指针还指向已被释放的空间，此时该指针便成了野指针，因此需要我们进行置空操作。

4.QueueBack函数-获取队尾元素

QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(q->_front && q->_rear);

	return q->_rear->_data;
}

断言后返回队尾数据即可。

5.QueueSize函数-获取队列有效元素个数

int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);
	QNode* cur = q->_front;
	int count = 0;
	while (cur != NULL)
	{
		count++;
		cur = cur->_next;
	}
	return count;
}

 由于链表内存空间的不连续，想要获取队列元素个数，只能对链表进行遍历。以cur为变量，头结点为初值开始遍历结点，直到cur为NULL时跳出循环，此处用变量count计数，遍历完成后return count。

6.QueueEmpty函数-判断队列是否为空

bool QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);

	return q->_front == NULL;
}

条件表达式_front==NULL，若为真，则说明队列为空，返回bool类型值True。否则为假，队列不为空，返回False。

7.QueueDestroy函数-队列的销毁

void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);

	QNode* cur = q->_front;
	while (cur != NULL)
	{
		QNode* next = cur->_next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	q->_front = NULL;
	q->_rear = NULL;
}

遍历链表对结点进行依次释放，释放完成后将Queue内变量置为初始值即可。

队列介绍到此结束，感谢阅读！