数据结构-队列
一、了解队列
队列的定义
队列是一种先进先出（FIFO, First In First Out）的数据结构。它的基本特性是：在队列中，元素的插入（入队）发生在队尾，元素的删除（出队）发生在队头。队列通常用于需要按顺序处理数据的场景。
基本操作
-
初始化队列：创建一个空队列。
InitQueue(SqQueue* Q) -
入队：将元素添加到队尾。
bool EnQueue(SqQueue* Q, int e) -
出队：从队头移除元素并返回该元素。
bool DeQueue(SqQueue* Q, int* e) -
获取队头元素：查看队头元素但不移除它。
bool GetHead(SqQueue Q, int* e) -
检查队列是否为空：判断队列是否包含元素。
bool isEmpty(SqQueue Q) -
获取队列长度：返回队列中当前元素的数量。
int LengthQueue(SqQueue Q)
队列的作用
- 任务调度：在操作系统中，队列用于管理任务的执行顺序。
- 数据缓冲：在生产者-消费者模型中，队列用于存储生产者生成的数据，以便消费者按顺序处理。
- 广度优先搜索（BFS）：在图论算法中，队列用于实现广度优先搜索。
- 网络请求处理：在服务器中，队列用于管理请求的处理顺序。
队列的优缺点
优点
- 简单易用：队列的逻辑结构简单，易于理解和实现。
- 高效的插入和删除：在队列的两端（队头和队尾）进行插入和删除操作的时间复杂度为 O(1)。
- 适用场景广泛：队列在许多算法和应用中具有重要作用，如任务调度、数据流处理等。
缺点
- 固定大小：使用数组实现的队列在初始化时需要定义最大容量，可能导致空间浪费或溢出。
- 内存管理：使用链表实现的队列需要额外的内存管理，可能导致内存碎片。
- 访问限制：只能访问队头和队尾的元素，无法随机访问队列中的其他元素。
二、队列的顺序存储结构（C语言）
1. 顺序存储结构
#define MaxSize 50 // 定义队列的最大容量为50
// 定义顺序队列的结构体
typedef struct {
int data[MaxSize]; // 存储队列元素的数组
int front; // 队列头指针，指向队列的第一个元素
int rear; // 队列尾指针，指向队列的最后一个元素的下一个位置
} SqQueue;2. 初始化队列
// 初始化队列
void InitQueue(SqQueue* Q) {
Q->front = 0; // 将队列头指针初始化为0
Q->rear = 0; // 将队列尾指针初始化为0
}3. 入队
// 入队操作
bool EnQueue(SqQueue* Q, int e) {
// 判断队列是否已满，使用环形队列的特性
if ((Q->rear + 1) % MaxSize == Q->front) return false;
Q->data[Q->rear] = e; // 将元素e插入到队列尾
Q->rear = (Q->rear + 1) % MaxSize; // 更新尾指针
return true; // 返回成功
}4. 出队
// 出队操作
bool DeQueue(SqQueue* Q, int* e) {
// 判断队列是否为空
if (Q->front == Q->rear) return false;
*e = Q->data[Q->front]; // 将队列头元素赋值给e
Q->front = (Q->front + 1) % MaxSize; // 更新头指针
return true; // 返回成功
}5. 获取队头元素
// 获取队列头元素
bool GetHead(SqQueue Q, int* e) {
// 判断队列是否为空
if (Q.front == Q.rear) return false;
*e = Q.data[Q.front]; // 将队列头元素赋值给e
return true; // 返回成功
}
6. 检查队列是否为空
// 判断队列是否为空
bool isEmpty(SqQueue Q) {
return Q.front == Q.rear; // 如果头指针和尾指针相等，则队列为空
}7. 获取队列长度
// 获取队列的长度
int LengthQueue(SqQueue Q) {
// 计算队列当前长度
return (Q.rear + MaxSize - Q.front) % MaxSize;
}
三、队列的链式存储结构（C语言）
1. 链式存储结构
// 定义链表节点
typedef struct QNode {
int data; // 存储数据
struct QNode* next; // 指向下一个节点的指针
} QNode;
// 定义链式队列
typedef struct {
QNode* front; // 队列头指针
QNode* rear; // 队列尾指针
int length; // 队列长度
} LinkQueue;2. 初始化队列
// 初始化队列
bool InitQueue(LinkQueue* Q) {
Q->front = (QNode*)malloc(sizeof(QNode)); // 创建一个空节点
if (Q->front == NULL) {
Q->rear = NULL;
return false; // 检查内存分配
}
Q->front->next = NULL; // 空节点的下一个指针指向NULL
Q->rear = Q->front; // front 和 rear 指向同一个空节点
Q->length = 0; // 初始化长度为0
return true;
}
3. 入队
// 入队操作
bool EnQueue(LinkQueue* Q, int e) {
QNode* p = (QNode*)malloc(sizeof(QNode)); // 创建新节点
if (p == NULL) return false; // 检查内存分配
p->data = e; // 设置节点数据
p->next = NULL; // 新节点的下一个指针指向NULL
Q->rear->next = p; // 将新节点链接到队列尾
Q->rear = p; // 更新队列尾指针
if (Q->length == 0) {
Q->front = p; // 如果队列之前为空，更新队列头指针
}
Q->length++; // 更新队列长度
return true; // 返回成功
}4. 出队
// 出队操作
bool DeQueue(LinkQueue* Q, int* e) {
// 判断队列是否为空
if (Q->length == 0) return false;
*e = Q->front->data; // 获取队头元素
QNode* p = Q->front; // 保存当前头节点
Q->front = p->next; // 更新队头指针
free(p); // 释放原头节点
Q->length--; // 更新队列长度
return true; // 返回成功
}5. 获取队头元素
// 获取队列头元素
bool GetHead(LinkQueue Q, int* e) {
// 判断队列是否为空
if (Q.length == 0) return false;
*e = Q.front->data; // 获取队头元素
return true; // 返回成功
}
6. 检查队列是否为空
// 判断队列是否为空
bool isEmpty(LinkQueue Q) {
return Q.length == 0; // 如果长度为0，则队列为空
}7. 获取队列长度
// 获取队列的长度
int LengthQueue(LinkQueue Q) {
return Q.length; // 返回队列长度
}四、总代码（C语言）
1. 顺序存储结构-使用示例
#include
#include
#include
#define MaxSize 50 // 定义队列的最大容量为50
// 定义顺序队列的结构体
typedef struct {
int data[MaxSize]; // 存储队列元素的数组
int front; // 队列头指针，指向队列的第一个元素
int rear; // 队列尾指针，指向队列的最后一个元素的下一个位置
} SqQueue;
// 初始化队列
void InitQueue(SqQueue* Q) {
Q->front = 0; // 将队列头指针初始化为0
Q->rear = 0; // 将队列尾指针初始化为0
}
// 判断队列是否为空
bool isEmpty(SqQueue Q) {
return Q.front == Q.rear; // 如果头指针和尾指针相等，则队列为空
}
// 入队操作
bool EnQueue(SqQueue* Q, int e) {
// 判断队列是否已满，使用环形队列的特性
if ((Q->rear + 1) % MaxSize == Q->front) return false;
Q->data[Q->rear] = e; // 将元素e插入到队列尾
Q->rear = (Q->rear + 1) % MaxSize; // 更新尾指针
return true; // 返回成功
}
// 出队操作
bool DeQueue(SqQueue* Q, int* e) {
// 判断队列是否为空
if (Q->front == Q->rear) return false;
*e = Q->data[Q->front]; // 将队列头元素赋值给e
Q->front = (Q->front + 1) % MaxSize; // 更新头指针
return true; // 返回成功
}
// 获取队列的长度
int LengthQueue(SqQueue Q) {
// 计算队列当前长度
return (Q.rear + MaxSize - Q.front) % MaxSize;
}
// 获取队列头元素
bool GetHead(SqQueue Q, int* e) {
// 判断队列是否为空
if (Q.front == Q.rear) return false;
*e = Q.data[Q.front]; // 将队列头元素赋值给e
return true; // 返回成功
}
int main() {
SqQueue Q;
InitQueue(&Q); // 初始化队列
// 入队操作
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
if (EnQueue(&Q, i)) {
printf("入队: %d\n", i);
}
else {
printf("队列已满，无法入队: %d\n", i);
}
}
// 获取队头元素
int head;
if (GetHead(Q, &head)) {
printf("队头元素: %d\n", head);
}
else {
printf("队列为空，无法获取队头元素。\n");
}
// 输出队列长度
printf("当前队列长度: %d\n", LengthQueue(Q));
// 出队操作
int e;
while (!isEmpty(Q)) {
if (DeQueue(&Q, &e)) {
printf("出队: %d\n", e);
}
else {
printf("队列为空，无法出队。\n");
}
}
// 再次检查队列是否为空
if (isEmpty(Q)) {
printf("队列现在为空。\n");
}
return 0;
} 2. 链式存储结构
#include
#include
#include
// 定义链表节点
typedef struct QNode {
int data; // 存储数据
struct QNode* next; // 指向下一个节点的指针
} QNode;
// 定义链式队列
typedef struct {
QNode* front; // 队列头指针
QNode* rear; // 队列尾指针
int length; // 队列长度
} LinkQueue;
// 初始化队列
bool InitQueue(LinkQueue* Q) {
Q->front = (QNode*)malloc(sizeof(QNode)); // 创建一个空节点
if (Q->front == NULL) {
Q->rear = NULL;
return false; // 检查内存分配
}
Q->front->next = NULL; // 空节点的下一个指针指向NULL
Q->rear = Q->front; // front 和 rear 指向同一个空节点
Q->length = 0; // 初始化长度为0
return true;
}
// 判断队列是否为空
bool isEmpty(LinkQueue Q) {
return Q.length == 0; // 如果长度为0，则队列为空
}
// 入队操作
bool EnQueue(LinkQueue* Q, int e) {
QNode* p = (QNode*)malloc(sizeof(QNode)); // 创建新节点
if (p == NULL) return false; // 检查内存分配
p->data = e; // 设置节点数据
p->next = NULL; // 新节点的下一个指针指向NULL
Q->rear->next = p; // 将新节点链接到队列尾
Q->rear = p; // 更新队列尾指针
if (Q->length == 0) {
Q->front = p; // 如果队列之前为空，更新队列头指针
}
Q->length++; // 更新队列长度
return true; // 返回成功
}
// 出队操作
bool DeQueue(LinkQueue* Q, int* e) {
// 判断队列是否为空
if (Q->length == 0) return false;
*e = Q->front->data; // 获取队头元素
QNode* p = Q->front; // 保存当前头节点
Q->front = p->next; // 更新队头指针
free(p); // 释放原头节点
Q->length--; // 更新队列长度
return true; // 返回成功
}
// 获取队列的长度
int LengthQueue(LinkQueue Q) {
return Q.length; // 返回队列长度
}
// 获取队列头元素
bool GetHead(LinkQueue Q, int* e) {
// 判断队列是否为空
if (Q.length == 0) return false;
*e = Q.front->data; // 获取队头元素
return true; // 返回成功
}
int main() {
LinkQueue Q;
int e;
// 初始化队列
if (!InitQueue(&Q)) {
printf("初始化队列失败\n");
return 1; // 初始化失败，退出程序
}
// 检查队列是否为空
if (isEmpty(Q)) {
printf("队列为空\n");
}
// 入队操作
EnQueue(&Q, 10);
EnQueue(&Q, 20);
EnQueue(&Q, 30);
// 获取队列长度
printf("队列长度: %d\n", LengthQueue(Q));
// 获取队列头元素
if (GetHead(Q, &e)) {
printf("队列头元素: %d\n", e);
}
// 出队操作并打印
while (!isEmpty(Q)) {
if (DeQueue(&Q, &e)) {
printf("出队元素: %d\n", e);
}
}
// 再次检查队列是否为空
if (isEmpty(Q)) {
printf("队列为空\n");
}
// 清理工作
// 释放所有节点
QNode* current = Q.front;
while (current != NULL) {
QNode* temp = current;
current = current->next;
free(temp);
}
return 0;
}
参考：
1. 数据结构-栈
2. 数据结构-线性表-了解循环链表
3. 数据结构-线性表-单链表