数据结构-如何实现一个队列？逐步解析与代码示例（超详细）

前言

在计算机科学中，队列是一种非常基础且广泛使用的数据结构。它的工作原理类似于现实生活中的排队：先来的先服务（FIFO, First-In-First-Out）。在本文中，我们将深入探讨如何在C语言中使用链表实现一个队列，并解析相关的代码实现。

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1.队列的基本概念

队列是一种遵循先进先出原则的线性数据结构。在队列中，添加操作（入队）发生在一端（队尾），而移除操作（出队）则发生在另一端（队首）。这种结构在多种场景中非常有用，如任务调度、数据缓冲等。

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2.链表与数组实现队列的区别

当使用数组和链表实现队列时，主要区别在于数据存储结构、性能和内存使用：

2.1数据存储结构

数组：队列使用一个固定大小的数组。当数组满时，需要进行扩容，这可能涉及复制整个数组到新的内存位置。
链表：队列使用动态分配的节点，每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。不需要事先分配固定大小的空间。

2.2性能

数组：入队和出队操作通常是O(1)复杂度，但当数组需要扩容时，复杂度会增加。
链表：由于不需要扩容，入队和出队操作始终保持O(1)复杂度。

2.3内存使用

数组：可能会有未使用的预留空间，特别是在队列大小波动较大时。
链表：每个元素单独分配，无需预留额外空间，但每个节点需要额外存储指针，略增加内存使用。

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3.为什么选择链表实现队列？

在C语言中，链表是一种常用的数据结构，用于创建动态大小的序列。相比于数组实现，链表实现的队列具有动态分配内存的优点，不受固定大小的限制。

与基于数组的队列实现相比，链表实现的队列具有以下优势：

动态大小：不受固定长度的限制，可以根据需要动态扩展或收缩。
内存利用：每个元素仅在需要时分配内存，减少了空间浪费。
性能优化：避免了数组实现中可能发生的元素搬移操作。

接下来我们来用链表进行实现队列。

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4.结构定义

该队列的实现基于两种结构：QueueNode 和 Queue。

typedef int QDataType; // 定义队列数据类型为int

// 队列节点的结构体定义
typedef struct QueueNode
{
  QDataType val; // 节点存储的数据
  struct QueueNode* next; // 指向下一个节点的指针
} QNode;

// 队列的结构体定义
typedef struct Queue
{
  QNode* phead; // 指向队列头部的指针
  QNode* ptail; // 指向队列尾部的指针
  int size; // 队列的大小
} Queue;

这里，QueueNode 表示队列中的每个节点，包含一个数据字段和一个指向下一个节点的指针。而Queue结构则持有指向队列头部和尾部的指针，并跟踪队列的当前大小。

函数声明

// 函数声明
void QInit(Queue* pq); // 初始化队列
void QDestroy(Queue* pq); // 销毁队列

void QPush(Queue* pq, QDataType x); // 向队列中添加元素
void QPop(Queue* pq); // 从队列中移除元素

QDataType QueueFront(Queue* pq); // 获取队列头部元素
QDataType QueueBack(Queue* pq); // 获取队列尾部元素

bool QueueEmpty(Queue* pq); // 检查队列是否为空
int QueueSize(Queue* pq); // 获取队列的大小

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5.核心操作

5.1初始化 (QInit)

初始化函数设置队列的头部和尾部指针为NULL，大小为0。这是创建队列的必要步骤。

// 初始化队列
void QInit(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  pq->phead = pq->ptail = NULL; // 将头指针和尾指针都设为NULL
  pq->size = 0; // 将队列大小设置为0
}

5.2销毁 (QDestroy)

销毁函数释放队列中所有节点的内存，并重置队列的状态。这是队列不再使用时的清理步骤。

// 销毁队列
void QDestroy(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  QNode* cur = pq->phead;
  while (cur)
  {
    QNode* next = cur->next; // 保存下一个节点
    free(cur); // 释放当前节点
    cur = next; // 移动到下一个节点
  }
  pq->phead = NULL; // 将头指针设为NULL
  pq->ptail = NULL; // 将尾指针设为NULL
  pq->size = 0; // 将队列大小设置为0
}

5.3入队 (QPush)

在队列的尾部添加一个新元素。如果队列为空，则新元素同时成为头部和尾部元素。

// 向队列中添加元素
void QPush(Queue* pq, QDataType x)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode)); // 分配新节点内存
  if (newNode == NULL)
  {
    perror("malloc fail"); // 内存分配失败处理
    exit(-1);
  }

  newNode->val = x; // 设置新节点的值
  newNode->next = NULL; // 新节点的下一个节点为NULL
  if (pq->ptail == NULL) // 如果队列为空
  {
    pq->phead = pq->ptail = newNode; // 队列头尾都指向新节点
  }
  else
  {
    pq->ptail->next = newNode; // 将新节点接到队列尾部
    pq->ptail = newNode; // 更新尾指针
  }
  pq->size++; // 队列大小增加
}

5.4出队 (QPop)

从队列的头部移除一个元素。如果队列为空，调整尾部指针。

// 从队列中移除元素
void QPop(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  assert(pq->phead); // 断言队列不为空
  QNode* Del = pq->phead; // 保存要删除的节点
  pq->phead = pq->phead->next; // 更新头指针
  free(Del); // 释放节点内存
  if (pq->phead == NULL) // 如果队列变空
  {
    pq->ptail = NULL; // 更新尾指针
  }
  pq->size--; // 队列大小减少
}

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6.队列的查询操作

6.1队首元素 (QueueFront)

返回队列头部节点的值，但不移除它。

// 获取队列头部元素的值
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  assert(pq->phead); // 断言队列不为空
  return pq->phead->val; // 返回头部元素的值
}

6.2队尾元素 (QueueBack)

返回队列尾部节点的值。

// 获取队列尾部元素的值
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  assert(pq->ptail); // 断言队列不为空
  return pq->ptail->val; // 返回尾部元素的值
}

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7.辅助函数

7.1判断空 (QueueEmpty)

检查队列是否为空。

// 检查队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  return pq->phead == NULL; // 如果头指针为NULL，则队列为空
}

7.2队列大小 (QueueSize)

返回队列中节点的数量。

// 获取队列的大小
int queueSize(Queue* pq)
{
  return pq->size; // 返回队列的大小
}

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总结

理解队列的不同实现方式对于选择最适合特定应用场景的数据结构至关重要。链表实现的队列提供了灵活性和一致的性能，特别适用于大小不确定或需要频繁扩展的场景。而数组实现则在空间预分配和随机访问方面更有优势。深入了解这些差异，可以帮助程序员做出更明智的选择。我希望这篇文章能够帮助你更好地理解和实现队列。如果你有任何问题或想分享你的经验，请在评论区留言。