【数据结构】—— 队列

• • 1、队列的概念
  • 2、队列的结构
  • • 如何选择合适的数据结构实现队列（数组or链表）
  • 3、队列的链式存储
  • • [3.1 队列的链式存储结构](#3.1 队列的链式存储结构)
    • [3.2 队列的常见接口](#3.2 队列的常见接口)
    • [3.3 队列的接口实现](#3.3 队列的接口实现)
    • • 初始化
      • 判空
      • 入队列
      • 出队列
      • 获取队头元素
      • 获取队尾元素
      • 获取节点个数
      • 销毁
    • [3.4 源代码](#3.4 源代码)
  • 4、队列的顺序存储（循环队列）

1、队列的概念

队列是一种先进先出(First In First Out ，FIFO)的数据结构，可以简单理解为排队的概念。在队列中，数据项按照插入的顺序排列，并且只能在队列的一端插入（称为队尾），在另一端删除（称为队头）。

2、队列的结构

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

如何选择合适的数据结构实现队列（数组or链表）

在前面学习的顺序表中，我们知道数组只有在尾插和尾删效率高为O(1) ，当需要对头部元素操作时效率较低为O(n)。队列的特点是在队尾插入元素，在队头删除元素，序列两端都需要访问 ，这就导致使用数组实现队列时必定有一端的插入(or删除)效率低 ，因此不建议使用数组实现队列。

3、队列的链式存储

通过上面的分析，我选择链式存储结构来实现队列。这是因为链式存储结构实现两端的高效访问很简单------只需要增加一个尾指针即可实现两端的O(1)访问

3.1 队列的链式存储结构

定义两个结构体

• QNode：保存队列中节点的元素数据 和下一个节点
• Queue：保存头指针 、尾指针 和队列中有效元素个数

typedef int QDateType;
typedef struct QueueNode
{
	QDateType val;//当前节点的数据
	struct QueueNode* next;//当前节点的下一个节点
}QNode;

typedef struct Queue
{
	QNode* phead;//头指针
	QNode* ptail;//尾指针
	int size;//记录队列有效元素个数
}Queue;

3.2 队列的常见接口

//初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);

//入队列
void QueuePush(Queue* pq,QDateType x);

//出队列
void QueuePop(Queue* pq);
//获取队头元素
QDateType QueueFront(Queue* pq);
//获取队尾元素
QDateType QueueBack(Queue* pq);
//判空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
//获取有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

3.3 队列的接口实现

初始化

头尾指针置空，队列有效元素个数初始化为0

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//哨兵位可选可不选（可以有也可以没有）
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

判空

直接返回Queue结构体保存的size即可

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

	return pq->size == 0;
}

入队列

队尾入队步骤

（1）申请新节点并初始化该节点（将x赋值，下一个节点置空）

（2）判断是否存在尾节点（队列是否为空）

• 存在尾节点（队列不为空）：只需将新节点接到队尾，尾指针后移一位即可。
• 不存在尾节点（队列为空）：改变队头和队尾的值即可

（3）队列有效节点个数加1

void QueuePush(Queue* pq, QDateType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));//申请新节点
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	//对新节点初始化
	newnode->val = x;
	newnode->next = NULL;
	//有尾节点（队列不为空）
	if (pq->ptail)
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		//一个有效节点都没（队列为空）
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

出队列

（1）判空 （队列不为空才能出队）

（2）判断队列有效节点的个数

• 一个节点：释放该节点，将头尾指针置空
• 多个节点：定义临时QNode类型变量保存头节点的下一个节点，释放头节点，头节点更新为保存的节点

（3）队列有效节点个数减1

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//三种情况：0个节点，1个节点,多个节点
	//0个
	assert(pq->phead);//暴力检查
	//if (pq->phead == NULL) return;//温柔检查
	//队列只有1个有效节点
	if (pq->phead->next==NULL)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
	//队列有多个有效节点
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}

获取队头元素

断言判断是否存在头节点，如果存在直接返回头节点的值即可

QDateType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//这里只能暴力检查
	assert(pq->phead);

	return pq->phead->val;
}

获取队尾元素

断言判断是否存在尾节点，如果存在直接返回尾节点的值即可

QDateType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//这里只能暴力检查
	assert(pq->ptail);

	return pq->ptail->val;
}

获取节点个数

返回size即可

int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size;
}

销毁

遍历删除（释放）所有节点，最后头尾指针悬空，size置0

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

	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

3.4 源代码

.h文件

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
typedef int QDateType;

typedef struct QueueNode
{
	QDateType val;
	struct QueueNode* next;
}QNode;
入队
为什么需要两个指针
//void QueuePush(QNode** head,QNode** ptail);
//
出队
//void QueuePop(QNode** head);

typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;

//初始化
void QueueInit(Queue* pq);
void QueueDestroy(Queue* pq);

//入队列
void QueuePush(Queue* pq,QDateType x);

//出队列
void QueuePop(Queue* pq);

QDateType QueueFront(Queue* pq);
QDateType QueueBack(Queue* pq);
bool QueueEmpty(Queue* pq);
int QueueSize(Queue* pq);

.c文件

#include "Queue.h"

//初始化
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//哨兵位可选可不选
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}
//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}

//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDateType x)
{
	assert(pq);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	newnode->val = x;
	newnode->next = NULL;
	//有尾节点
	if (pq->ptail)
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		//一个有效节点都没
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

//出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//三种情况：0个节点，1个节点,多个节点
	//0个
	assert(pq->phead);//暴力检查
	//if (pq->phead == NULL) return;//温柔检查
	//1个
	if (pq->phead->next==NULL)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else//多个
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}

QDateType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//这里只能暴力检查
	assert(pq->phead);

	return pq->phead->val;
}
QDateType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//这里只能暴力检查
	assert(pq->ptail);

	return pq->ptail->val;
}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size == 0;
}
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size;
}

4、队列的顺序存储（循环队列）

虽然队列的一般实现使用链式存储，但是也有一些情况可以使用数组存储，比如循环队列。

具体可以查看这篇博客---------循环队列OJ

END