初阶数据结构之队列的实现

1 队列的定义

什么是队列呢？队列只允许在一端进行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作。队列具有先进先出FIFO(First In First Out)的特性。

队头：删除数据的一端称为队头。

队尾：插入数据的一端称为队尾。

2 队列底层结构的选择

底层采用数组来实现，在删除队头元素的时候，需要移动数组元素，时间复杂度为O(N)，还会存在空间浪费。

采用链表实现队列，删除队头元素时，只需要让head指向下一个节点同时将头结点的空间还给操作系统。在队尾增加元素时，申请一块空间存放数据，让新节点成为链表尾节点，为了避免在增加元素时需要找链表尾节点，所以创建一个tail指针，指向链表尾节点。

因此采用链表来实现队列再合适不过了。

3 队列的实现

3.1 队列的定义

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typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType data;
}QueueNode;

//为了降低时间复杂度，增加一个尾指针，同时为了方便维护代码，对两个指针使用结构体进行封装
typedef struct Queue
{
	QueueNode* head;
	QueueNode* tail;
}Queue;

3.2 队列的接口

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//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);

//队尾插入数据
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//队头出数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);

//删除队头数据
void QueuePop(Queue* pq);

//队列的大小
int QueueSize(Queue* pq);

//队尾出数据
QDataType QueueBack(Queue* pq);

//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);

3.2.1 初始化队列

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//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

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刚开始队列为空，head和tail指向NULL。保证pq不能为NULL，否则
通过pq去访问head和tail会造成野指针。

3.2.2 队尾插入数据

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//队尾插入数据
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (NULL == newnode)
	{
		printf("QueuePush():malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}

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如果head为NULL，说明队列为空，则让head和tail同时指向头结点。
否则，则让tail->next保存新节点的地址同时让tail指向新节点，使新节
点成为链表的尾节点。

3.2.3 队列是否为空

c 复制代码

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	if (pq->head == NULL)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

head指向NULL，说明队列为空，否则，队列不为空。

3.2.4 队头出数据

c 复制代码

//队头出数据
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

队列不为空才能出数据，返回队列头结点的数据（因为head指向头结点）。

3.2.5 删除队头数据

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//删除队头数据
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	//记录下一个节点的地址
	QueueNode* next = pq->head->next;
	free(pq->head);
	pq->head = next;
	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->tail = NULL;
	}
}

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删除数据首先要保证队列不能为空，其次使head指向头结点的下一个
节点，再释放头结点。如果head指向了NULL，说明队列为空，此时
应该将tail置为NULL。避免野指针的出现。

3.2.6 队列的大小

c 复制代码

//队列的大小
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* cur = pq->head;
	int size = 0;
	while (NULL != cur)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

对链表进行遍历，计算链表节点的个数。

3.2.7 队尾出数据

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//队尾出数据
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

保证队列不为空的前提下，返回tail指向的节点的数据。

3.2.8 销毁队列

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//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	while (pq->head!=NULL)
	{
		QueueNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
	pq->tail = NULL;
}

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对链表进行遍历，先记录要删除节点的下一个节点的地址，然后释放
删除节点的空间，让head指向下一个节点。最后，将tail置为NULL
（避免野指针）。

4 队列完整代码的实现

Queue.h

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#pragma once

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType data;
}QueueNode;

//为了降低时间复杂度，增加一个尾指针，同时为了方便维护代码，对两个指针使用结构体进行封装
typedef struct Queue
{
	QueueNode* head;
	QueueNode* tail;
}Queue;

//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);

//队尾插入数据
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//队头出数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);

//删除队头数据
void QueuePop(Queue* pq);

//队列的大小
int QueueSize(Queue* pq);

//队尾出数据
QDataType QueueBack(Queue* pq);

//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq);

Queue.c

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#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include"Queue.h"

//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
}

//队尾插入数据
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (NULL == newnode)
	{
		printf("QueuePush():malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
}

//队头出数据
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	if (pq->head == NULL)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

//删除队头数据
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	//记录下一个节点的地址
	QueueNode* next = pq->head->next;
	free(pq->head);
	pq->head = next;
	if (pq->head == NULL)
	{
		pq->tail = NULL;
	}
}

//队列的大小
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* cur = pq->head;
	int size = 0;
	while (NULL != cur)
	{
		size++;
		cur = cur->next;
	}
	return size;
}

//队尾出数据
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	while (pq->head!=NULL)
	{
		QueueNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
	pq->tail = NULL;
}

test.c

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#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include"Queue.h"
void TestQueue1()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);

	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
	QueuePush(&q, 5);

	QDataType ret = QueueFront(&q);
	printf("%d ", ret);

	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
	QueuePop(&q);
}

void TestQueue2()
{
	Queue q;
	QueueInit(&q);

	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
	QueuePush(&q, 5);

	int size = QueueSize(&q);
	printf("%d ", size);

	QDataType ret = QueueBack(&q);
	printf("%d ", ret);

	QueueDestroy(&q);
}
int main()
{
	//TestQueue1();
	TestQueue2();
	return 0;
}