队列的链式存储结构与实现
前言
在前面我们学习了队列的概念与循环队列，我们知道了循环链表的队列长度事先就得确定好，但是实际中队列长度我们事先大多不知道，所以还是得研究一下动态的队列长度的队列储存与实现。
虽然顺序存储也可以通过realloc来实现扩容，但是顺序存储出队列不太好出——①如果队头位置定在下标0的位置，出队列的效率低；②如果每一次出队列队头位置+1，虽然效率高了，但是空间利用率低下。
所以对于动态的队列长度的队列储存与实现，我们用链式结构实现更优一些，下面我们就来学习队列的链式存储结构与实现。
一、队列的链式存储结构与实现
1、队列的链式存储结构
队列的链式存储结构，就是使用链表实现，可以简称为链队列。注意该链队列是受到限制的，要满足队列先进先出FIFO(first in first out)的原则。
链队列结构的分析：
①实现我们选择单链表，因为节省空间。
②为了方便先进先出的操作，我们将队头指针指向链队列的头结点，队尾指针指向终端结点（单链表我们为什么不定义一个尾指针呢——因为在单链表tail只能解决尾插，还不如不用）。如下图：
不带哨兵位
带哨兵位
③空队列时，不带哨兵位——head = tail = NULL；带哨兵位——head与tail指向哨兵位。
2、队列的链式存储实现
（1）（无哨兵位）链队列结构的类型
解读：
①链队列由一个个结点组成，所以需要定义链队列结点类型。
②为了方便先进先出的操作，所以定义队首指针与队尾指针。
③为了方便求队列有效数据个数，所以定义一个size储存个数（我们可以使用哨兵位来存储size吗——不可以，如当数据域为char时，129就溢出了。）。
④多个数据组成的复杂类型，最好将其定义为结构体（因为方便传参数，不管要改变结构体的多少成员，我们只需传结构体一个变量即可）。
代码示例：
//无哨兵位链队列的实现
//链队列元素类型的重命名（①方便更改；②见名知意）
typedef int QDataType;
//链队列结点类型
typedef struct QueueNode
{
QDataType data;//数据域
struct QueueNode* next;//指向后继结点
}QNode;
//链队列的结构类型
typedef struct Queue
{
QNode* head;//队首指针——指向队头结点
QNode* tail;//队尾指针——指向队尾结点
int size;//保存有效数据个数——方便
}Queue;
（2）链队列的接口实现
0X00队列的初始化
解读： 首先结构体指针pq一定不为空，为了程序的健壮性断言一下。其次初始化队首指针、队尾指针与有效数据个数。
代码示例：
//初始化链队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
//断言pq不为空
assert(pq);
//链队列为空时
pq->head = pq->tail = NULL;//不带哨兵位
pq->size = 0;//空队列，有效数据个数为0
}
0X01队列的销毁
解读：
①断言pq不为空。
②在堆区申请的空间，如果不用记得自己释放，避免内存泄漏。
③链队列的销毁与链表的销毁一样，要从头结点逐个向后释放。注意释放cur结点之前要先保存它的后继结点，否则找不到。
④销毁结束之后，防止野指针将队首与队尾指针置为空。并且有效个数也为0。
代码示例：
//销毁链队列
void QueueDesttroy(Queue* pq)
{
assert(pq);
//保存队头位置
QNode* cur = pq->head;
//链队列的销毁与链表一样，要从头指针逐个销毁
while (cur)
{
//保存cur的后继结点
QNode* next = cur->next;
//释放cur
free(cur);
//cur向后迭代
cur = next;
}
//释放完记得将队首指针与队尾指针置为空
pq->head = pq->tail = NULL;
//有效数据个数为0
pq->size = 0;
}
0X02入队列
解读：
①断言pq不为空。
②创建新节点，注意判断是否开辟成功，并且malloc之后记得初始化新节点。
③入队列，在队尾指针追加一个元素，即尾插。
④尾插注意分情况：情况1——队列为空，即头插，head与tail都要改变；情况2——队列不为空，即正常尾插，先链接再改变tail。
⑤入队列结束后，记得有效数据个数+1。
代码示例：
//入队列——队尾追加一个元素
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
assert(pq);
//创建新的队列结点
QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
//判断是否开辟成功
if (NULL == newnode)
{
//打印错误信息
perror("malloc fail");
return;
}
//malloc不会初始化，记得自己初始化新节点
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
//入队列，即尾插
//情况1：队列为空时，队首与队尾都要改变
if (NULL == pq->head)
{
//head为空，tail也一定为空
assert(pq->tail == NULL);
//tail(head)指向newnode
pq->tail = pq->head = newnode;
}
//情况2：队列不为空，只改变队尾
else
{
//草图：tail newnode（待插）
pq->tail->next = newnode;
//更新队尾位置
pq->tail = newnode;
}
//入队之后有效数据个数+1
pq->size++;
}
0X03出队列
解读：
①断言pq不为空。
②出队列，即删除队首元素，要断言队列不为空。
③删除队首元素注意tail是否要改变。情况1——只有一个结点时，释放之后head与tail都要置为空；情况2——有两个及以上结点——tail不会变，只改变head，注意要先保存head的后继结点，再释放头结点，最后链接。
④出队列之后，有效数据个数-1。
代码示例：
//出队列——队头删除一个元素
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
//断言队列不为空
assert(!QueueEmpty(pq));
//出队列，即头删
//情况1：只有一个结点，删除后队首指针与队尾指针都要置为空
if (NULL == pq->head->next)
{
//草图：head（待删）
free(pq->head);
//避免野指针，队首指针与队尾指针都要置为空
pq->head = pq->tail = NULL;
}
//情况2：有两个及以上结点，删除后只改变队首指针
else
{
//head（待删） headnext
QNode* next = pq->head->next;
free(pq->head);
pq->head = next;
}
//出队列后，有效数据个数-1
pq->size--;
}
0X04获取队列中的元素个数
解读：
①断言pq不为空。
②直接返回size即可，从这里就可以看出我们在队列结构中添加size成员的好处。
代码示例：
**//获取队列中的元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
//从这就能看出我们在队列成员中添加size的作用，直接返回size即可
return pq->size;
}**
0X05检查队列是否为空
解读：
①断言pq不为空。
②有两种方式判断队列是否为空：方式1——有效数据个数为0，即表示队列为空；方式2——head与tail都为空，也表示队列为空。
代码示例：
//检查队列是否为空——为空返回真。
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
//size等于0，即队列为空
return pq->size == 0;
//队首指针与队尾指针为空，也表示队列为空
//return (pq->head == NULL && pq->tail == NULL);
}
0X06获取队首元素
解读：
①断言pq不为空。
②断言队列不为空。
③直接返回队首元素pq->head->data即可。
代码示例：
//获取队首元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
//断言队列不为空
assert(!QueueEmpty(pq));
//返回队首元素
return pq->head->data;
}
0X07获取队尾元素
解读：
①断言pq不为空。
②断言队列不为空。
③直接返回队尾元素pq->tail->data即可。
代码示例：
//获取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
//断言队列不为空
assert(!QueueEmpty(pq));
//返回队尾元素
return pq->tail->data;
}
总结：
①注意删除与获取队列元素时，都要判断队列不为空。
②入队列注意head是否要改变，出队列tail是否要改变。
③在入队列、出队列、销毁队列、初始化队列时队列的有效数据个数都有改变。
④free释放之后，指针的指向不会改变，防止野指针，记得free之后指针一般置为空等等。
二、总代码
1、Queue.h——声明头文件、队列结构、队列接口等
//头文件的声明
#include2、Queue.c——接口的实现
#include"Queue.h"
//初始化链队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
//断言pq不为空
assert(pq);
//链队列为空时
pq->head = pq->tail = NULL;//不带哨兵位
pq->size = 0;//空队列，有效数据个数为0
}
//销毁链队列
void QueueDesttroy(Queue* pq)
{
assert(pq);
//保存队头位置
QNode* cur = pq->head;
//链队列的销毁与链表一样，要从头指针逐个销毁
while (cur)
{
//保存cur的后继结点
QNode* next = cur->next;
//释放cur
free(cur);
//cur向后迭代
cur = next;
}
//释放完记得将队首指针与队尾指针置为空
pq->head = pq->tail = NULL;
//有效数据个数为0
pq->size = 0;
}
//入队列——队尾追加一个元素
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
assert(pq);
//创建新的队列结点
QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
//判断是否开辟成功
if (NULL == newnode)
{
//打印错误信息
perror("malloc fail");
return;
}
//malloc不会初始化，记得自己初始化新节点
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
//入队列，即尾插
//情况1：队列为空时，队首与队尾都要改变
if (NULL == pq->head)
{
//head为空，tail也一定为空
assert(pq->tail == NULL);
//tail(head)指向newnode
pq->tail = pq->head = newnode;
}
//情况2：队列不为空，只改变队尾
else
{
//草图：tail newnode（待插）
pq->tail->next = newnode;
//更新队尾位置
pq->tail = newnode;
}
//入队之后有效数据个数+1
pq->size++;
}
//出队列——队头删除一个元素
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
//断言队列不为空
assert(!QueueEmpty(pq));
//出队列，即头删
//情况1：只有一个结点，删除后队首指针与队尾指针都要置为空
if (NULL == pq->head->next)
{
//草图：head（待删）
free(pq->head);
//避免野指针，队首指针与队尾指针都要置为空
pq->head = pq->tail = NULL;
}
//情况2：有两个及以上结点，删除后只改变队首指针
else
{
//head（待删） headnext
QNode* next = pq->head->next;
free(pq->head);
pq->head = next;
}
//出队列后，有效数据个数-1
pq->size--;
}
//获取队列中的元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
//从这就能看出我们在队列成员中添加size的作用，直接返回size即可
return pq->size;
}
//检查队列是否为空——为空返回真。
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
//size等于0，即队列为空
return pq->size == 0;
//队首指针与队尾指针为空，也表示队列为空
//return (pq->head == NULL && pq->tail == NULL);
}
//获取队首元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
//断言队列不为空
assert(!QueueEmpty(pq));
//返回队首元素
return pq->head->data;
}
//获取队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
//断言队列不为空
assert(!QueueEmpty(pq));
//返回队尾元素
return pq->tail->data;
}
3、Test.c——测试
#include"Queue.h"
int main()
{
//定义一个队列对象
Queue pq;
//初始化队列
QueueInit(&pq);
//入队列：1 2 3 4 5
QueuePush(&pq, 1);
QueuePush(&pq, 2);
QueuePush(&pq, 3);
QueuePush(&pq, 4);
QueuePush(&pq, 5);
//打印队列的个数
printf("%d\n", QueueSize(&pq));
//出队列
while (!QueueEmpty(&pq))
{
//打印队首元素
printf("%d ", QueueFront(&pq));
//出队列
QueuePop(&pq);
}
//销毁队列
QueueDesttroy(&pq);
return 0;
}