C语言数据结构------详细讲解《队列》
前言
- 在上一篇博客中，我们详细探讨了栈这种数据结构，今天，让我们深入了解另一种与栈类似重要的数据结构 ------ 队列。
一、队列的概念
- 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的特殊线性表。队列遵循先进先出的原则
- 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。
- 大家思考一个问题，队列的底层结构是数组还是链表
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| 队列的底层结构既可以是数组，也可以是链表 |
- 基于数组实现的队列
- 优点
实现简单，逻辑清晰；可直接通过索引随机访问元素，时间复杂度为 O (1)。
- 缺点
需预先确定队列大小。若队列元素超数组大小，扩容操作复杂且耗时
- 基于链表实现的队列
- 优点
可动态调整大小，无需预先确定队列长度；队头和队尾的插入、删除操作时间复杂度为 O (1)
- 缺点
每个节点需额外存储指针，占用空间。
无法直接通过索引访问元素，随机访问效率低
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| 今天我们来详细讲解一下基于链表实现的队列 |
二、队列的操作
（一）定义队列结构
- 首先我们需要定义队列链表节点结构体
c
//定义队列结点的结构
typedef struct QueueNode
{
QDataType data;
struct QueueNode* next;
}QueueNode;- 队列结点结构中的data成员用于存储队列中的实际数据
- 接下来，我们定义队列结构体本身
c
//定义队列的结构
typedef struct Queue
{
QueueNode* phead; //队头
QueueNode* ptail; //队尾
}Queue;- 接下来需要初始化队列
c
// 初始化队列
void initQueue(Queue *pq) {
pq->phead = NULL;
pq->ptail = NULL;
}（二）初始化队列
- 在使用队列之前，我们需要对其进行初始化操作，将队头和队尾指针都设置为 NULL，表示队列为空。
c
// 初始化队列
void initQueue(Queue *pq)
{
pq->phead = NULL;
pq->ptail = NULL;
}（三）入队列操作
c
// 入队操作
void enqueue(Queue *pq, int x) {
Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
newNode->data = x;
newNode->next = NULL;
if (pq->ptail == NULL)
{
// 队列为空的情况
pq->phead = newNode;
pq->ptail = newNode;
}
else
{
pq->ptail->next = newNode;
pq->ptail = newNode;
}
}- 先创建一个新节点，给它分配内存空间，
- 把要入队的元素值赋给新节点的 data，并把 next 设为 NULL。
- 然后看队列是不是空的，如果空，新节点就既是队头又是队尾；
- 如果不空，就把新节点接到队尾节点后面，并更新队尾指针指向新节点
（四）出队列操作
c
//出队列
int dequeue(Queue* pq)
{
assert(pq->phead != NULL);
Node* temp = pq->phead;
int x = temp->data;
if (pq->phead == pq->ptail)
{
pq->phead = NULL;
pq->ptail = NULL;
}
else
{
pq->phead = pq->phead->next;
}
free(temp);
return x;
}- 从队列的队头取出一个元素并删掉对应的节点。
- 先检查队列不能是空的，然后把队头节点的数据存起来，
- 接着看队列是不是只有一个元素，
- 如果是就把队头和队尾指针都设为 NULL；
- 如果不止一个元素，就更新队头指针指向下一个节点，
- 最后释放原来队头节点的内存并返回取出的元素值。
（五）获取队头元素
c
// 获取队头元素
int front(Queue* pq)
{
assert(pq->phead != NULL);
return pq->phead->data;
}- 能获取队列的队头元素的值，但不把这个元素从队列里取出来。
- 先得确保队列不是空的，然后直接返回队头节点的 data 值就行
（六）检查队列是否为空
c
int isEmpty(Queue *pq)
{
return pq->front == NULL;
}- 如果是就说明队列为空，返回相应结果，这样在其他操作前可以先检查下队列状态，避免在空队列上做无效操作
（七）销毁队列
c
// 释放队列内存
void freeQueue(Queue* pq)
{
Node* current = pq->phead;
Node* next;
while (current != NULL)
{
next = current->next;
free(current);
current = next;
}
pq->phead = NULL;
pq->ptail = NULL;
}- 在队列用完后用来释放它占用的内存资源。
- 从队头开始，逐个遍历队列里的节点，释放每个节点的内存，
- 最后把队头和队尾指针都设为 NULL，让队列回到初始的空状态
（三）本文所有代码
1.Queue.h文件
c
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
// 链表节点结构体
typedef struct Node {
int data;
struct Node* next;
} Node;
// 队列结构体
typedef struct Queue {
Node* phead;
Node* ptail;
} Queue;
// 初始化队列
void initQueue(Queue* pq) {
pq->phead = NULL;
pq->ptail = NULL;
}
//入队列
void enqueue(Queue* pq, int x)
{
Node* newnode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
newnode->data = x;
newnode->next = NULL;
if (pq == NULL)
{
pq->phead = newnode;
pq->ptail = newnode;
}
else
{
pq->ptail->next = newnode;
pq->ptail = newnode;
}
}
//出队列
int dequeue(Queue* pq)
{
assert(pq->phead != NULL);
Node* temp = pq->phead;
int x = temp->data;
if (pq->phead == pq->ptail)
{
pq->phead = NULL;
pq->ptail = NULL;
}
else
{
pq->phead = pq->phead->next;
}
free(temp);
return x;
}
// 获取队头元素
int front(Queue* pq)
{
assert(pq->phead != NULL);
return pq->phead->data;
}
// 检查队列是否为空
int isEmpty(Queue* pq)
{
return (pq->phead != NULL) ? 0 : 1;
}
// 释放队列内存
void freeQueue(Queue* pq)
{
Node* current = pq->phead;
Node* next;
while (current != NULL)
{
next = current->next;
free(current);
current = next;
}
pq->phead = NULL;
pq->ptail = NULL;
}2.Queue.c文件
cpp
#include "Queue.h"
#include <stdio.h>
int main() {
Queue myQueue;
initQueue(&myQueue);
// 先输入一串数据来初始化队列
int num;
printf("请输入一串整数，以空格分隔，用于初始化队列，输入非整数结束输入：\n");
// 逐个读取输入的数据并将其入队
while (scanf_s("%d", &num) == 1) {
enqueue(&myQueue, num);
}
// 清除输入缓冲区中的剩余字符（例如换行符等）
while (getchar() != '\n');
int choice, value;
do {
printf("请选择操作：\n");
printf("1. 入队\n");
printf("2. 出队\n");
printf("3. 获取队头元素\n");
printf("4. 检查队列是否为空\n");
printf("5. 退出\n");
scanf_s("%d", &choice);
switch (choice) {
case 1:
printf("请输入要入队的值：");
scanf_s("%d", &value);
enqueue(&myQueue, value);
break;
case 2:
if (!isEmpty(&myQueue)) {
printf("出队元素: %d\n", dequeue(&myQueue));
}
else {
printf("队列为空，无法出队\n");
}
break;
case 3:
if (!isEmpty(&myQueue)) {
printf("当前队头元素: %d\n", front(&myQueue));
}
else {
printf("队列为空，无队头元素\n");
}
break;
case 4:
if (isEmpty(&myQueue)) {
printf("队列为空\n");
}
else {
printf("队列不为空\n");
}
break;
case 5:
printf("退出程序\n");
break;
default:
printf("无效的选择，请重新输入\n");
}
} while (choice != 5);
// 释放队列内存
freeQueue(&myQueue);
return 0;
}