10.队列

1.理论

队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，和栈一样在线性表的基础上扩展而来，相对于线性表可任意位置插入和删除，它只允许在一端插入，在另一端删除，又叫入列和出列操作。

和栈一样，队列程序设计中经常出现，最典型的就是操作系统中的作业排队：在多道程序共同运行的计算机系统中，如果运行的程序都要输出，那么就按照请求输出的顺序排队，最先请求的最先输出，类似的还应用在网络请求、多线程程序设计等地方。

对于队列的存储结构设计，一般的理论设计如下:

typedef struct tagQueue
{
	QueueElem	*pFront;		//队列头元素指针
	QueueElem	*pRear;			//队列尾元素指针
}Queue;

队列空时pFront=pRear

同栈的实现一样，我们想把顺序结构及链式结构的线性表、栈和队列统一起来，在这里我没有使用通用设计，直接使用原来的线性表存储数据：顺序线性表的下标最大的数据元素即为队列尾元素，队列头元素为下标最小的元素，长度为0时队列为空；重新设计链式存储表的结构使头结点和元素节点不同，队列头元素为第一个元素节点，队列尾元素为最后一个元素节点，当头结点指向NULL时，队列为空。

2.顺序队列

存储结构

typedef struct
{
	JWArrayElem	*pElem;			//数据元素存储区域
	int			nLength;		//当前数据元素长度
	int			nTotalSize;		//当前线性表长度
	int			nIncrSize;		//当线性表已满时，重新分配的新增区域大小
}JWArray;

核心程序

/************************************************************************/
/* 获得当前队列头元素的值
** 下标为0的为队列头元素													*/
/************************************************************************/
JWArray_BOOL JWArrayGetHead(JWArray *pArray, JWArrayElem *pElem)
{
	//判断队列是否为空
	if (0 == pArray->nLength)
	{
		return JWARRAY_FALSE;
	}

	//获得当前队列头元素的值
	*pElem =  pArray->pElem[0];

	return JWARRAY_TRUE;
}

/************************************************************************/
/* 设置当前队列头元素的值
** 下标为0的为队列头元素													*/
/************************************************************************/
JWArray_BOOL JWArraySetHead(JWArray *pArray, const JWArrayElem elem)
{
	//判断队列是否为空
	if (0 == pArray->nLength)
	{
		return JWARRAY_FALSE;
	}

	//设置当前队列头元素的值
	pArray->pElem[0] = elem;

	return JWARRAY_TRUE;
}

/************************************************************************/
/* 当前队列入列一个元素--即为线性表末尾插入一个元素							*/
/************************************************************************/
JWArray_BOOL JWArrayEnQueue(JWArray *pArray, const JWArrayElem elem)
{
	JWArrayElem *pNewElem;

	//如果队列满则重新分配更大的队列
	if (JWARRAY_TRUE == JWArrayIsFull(pArray))
	{
		pNewElem = (JWArrayElem *)realloc(pArray->pElem, (pArray->nTotalSize + pArray->nIncrSize) * sizeof(JWArrayElem));

		if (NULL == pNewElem)
		{
			return JWARRAY_FALSE;
		}
		else
		{
			pArray->pElem = pNewElem;
			pArray->nTotalSize += pArray->nIncrSize;
		}
	}

	//末尾位置插入值
	pArray->pElem[pArray->nLength++] = elem;
	return JWARRAY_TRUE;
}

/************************************************************************/
/* 当前队列出列一个元素--即为删除线性表第一个元素			                  */
/************************************************************************/
JWArray_BOOL JWArrayDeQueue(JWArray *pArray, JWArrayElem *pElem)
{
	int i;

	//判断队列是否为空
	if (0 == pArray->nLength)
	{
		return JWARRAY_FALSE;
	}

	//出队列--删除第一个元素的值
	if (NULL != pElem)
	{
		*pElem = pArray->pElem[0];
	}

	for (i = 0; i < (pArray->nLength-1); i++)
	{
		pArray->pElem[i] = pArray->pElem[i+1];
	}
	pArray->nLength--;

	return JWARRAY_TRUE;
}

3.双链式队列

存储结构

typedef struct tagJWListNode
{
	JWListElem				elem;		//数据元素
	struct tagJWListNode	*pNext;		//下一个节点指针
	struct tagJWListNode	*pPrior;	//上一个节点指针
}JWListNode, *PJWListNode;

typedef struct tagJWList
{
	int						nLength;	//数据元素
	struct tagJWListNode	*pNext;		//下一个节点指针
}JWList, *PJWList;

核心程序

/************************************************************************/
/* 获得当前队列头元素的值
** 注意在这里最靠近头结点的节点为队列头元素									*/
/************************************************************************/
JWList_BOOL JWListGetHead( JWList *pList, JWListElem *pElem )
{
	//判断栈为空的情形
	if (NULL == pList->pNext)
	{
		return JWLIST_FALSE;
	}

	//获取栈顶元素值
	*pElem = pList->pNext->elem;

	return JWLIST_TRUE;
}

/************************************************************************/
/* 设置当前队列元素的值
** 注意在这里最靠近头结点的节点为队列头元素									*/
/************************************************************************/
JWList_BOOL JWListSetHead( JWList *pList, const JWListElem elem )
{
	//判断栈为空的情形
	if (NULL == pList->pNext)
	{
		return JWLIST_FALSE;
	}

	//设置栈顶元素值
	pList->pNext->elem = elem;

	return JWLIST_TRUE;
}

/************************************************************************/
/* 当前队列入列一个元素										              */
/************************************************************************/
JWList_BOOL JWListEnQueue( JWList *pList, const JWListElem elem )
{
	JWListNode *pNewNode, *pNode;

	pNode = pList->pNext;

	//添加指定节点
	if(NULL == (pNewNode = (PJWListNode)malloc(sizeof(JWListNode))))
	{
		return JWLIST_FALSE;
	}
	pNewNode->elem			= elem;

	if (NULL == pNode)//当前队列为空
	{
		pNewNode->pNext = NULL;
		pNewNode->pPrior = NULL;
		pList->pNext = pNewNode;
	}
	else
	{
		//找到最后一个元素节点
		while (NULL != pNode->pNext)
		{
			pNode = pNode->pNext;
		}

		pNewNode->pNext = NULL;
		pNewNode->pPrior = pNode;
		pNode->pNext = pNewNode;
	}

	//长度+1
	pList->nLength += 1;

	return JWLIST_TRUE;
}

/************************************************************************/
/* 当前队列出列一个元素			                                                 */
/************************************************************************/
JWList_BOOL JWListDeQueue( JWList *pList, JWListElem *pElem )
{
	JWListNode *pFirstNode;

	pFirstNode = pList->pNext;

	//判断队列为空的情形
	if (NULL == pFirstNode)
	{
		return JWLIST_FALSE;
	}

	//删除队列头元素(修改相关指针)
	pList->pNext = pFirstNode->pNext;
	if(NULL != pFirstNode->pNext)//不是删除末尾节点
	{
		pFirstNode->pNext->pPrior = NULL;
	}

	//长度-1
	pList->nLength -= 1;

	//获取队列头元素
	if (NULL != pElem)
	{
		*pElem = pFirstNode->elem;
	}

	//清除队列头元素内存
	free(pFirstNode);

	return JWLIST_TRUE;
}

4.程序说明

1.这里为了保证统一性，顺序结构的队列出列时需要移动后面所有数据元素，最坏时间复杂度为O(n)，链式结构的队列入列时需要遍历到最后一个数据元素，最坏时间复杂度为O(n)。这里只是为了完成功能，对于计算量不大的场合完全可以满足使用，对于计算量大的场合则需要另外单独实现一个队列，毕竟统一性和性能这里不可兼得。但是不论这里的代码还是单独编写的高效队列代码原理都是一样的，搞懂了原理，没什么难度。

2.注意这里链式队列新的数据结构，头结点和元素节点的结构是不一样的，在插入和删除操作时要注意和头结点相关的边界条件的判断。

3.队列还有双端队列和循环队列，前者应用不多，后者在数据元素长度固定时应用较广，要注意其“假满”状态。

4.至此，JWArray和JWList编写完毕，分别把把顺序结构及链式结构的线性表、栈和队列操作统一起来。在编写队列代码的同时，我对之前的线性表和栈代码做了一些修改和新增了一些实用函数，现在在一些场合，你可以使用JWArray和JWList做为自己的C语言线性表、栈和队列操作库了。

完整的源代码下载链接(包括了线性表、栈、队列)

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