数据结构——队列

在数据结构中，队列（Queue）是一种非常基础且重要的线性数据结构，它遵循 "先进先出"（First-In-First-Out，FIFO）的原则，就像我们日常生活中排队买票一样，先到达的人先得到服务，后到达的人只能在队尾依次排队。本文将从队列的基本概念、核心操作、常见实现方式以及实际应用场景等方面，全面且深入地为大家讲解队列这种数据结构。

一. 概念和结构

1.1 概念

队列是一种特殊的线性表，它只允许在表的一端进行插入操作，在表的另一端进行删除操作。遵循**"先进先出"（First-In-First-Out，FIFO）的原则**

入队：进行插入操作的一端称为队尾

出队：进行删除操作的一端称为队头

底层结构选择

队列的底层用链表实现比较好，如果使用顺序表，出队列是的时间复杂度比较高，效率低

1.2 结构特性

先进先出（FIFO）：这是队列最核心的特性，即最早进入队列的元素，会最早从队列中删除。
线性结构：队列的元素之间存在一对一的线性关系，除了队头和队尾元素外，每个元素都有唯一的前驱元素和后继元素。
操作受限：与普通线性表不同，队列的插入和删除操作被严格限制在队尾和队头，不允许在队列中间进行插入或删除操作。

二. 队列的实现

Queue.h（队列结构定义和函数定义）

复制代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>

typedef int QDataType;
//定义队列节点结构
typedef struct QueueNode {
	QDataType data;
	struct QueueNode* next;
}QueueNode;

//定义队列结构
typedef struct Queue {
	QueueNode* phead;//对头
	QueueNode* ptail;//队尾
	//int size;        //队列中有效数据个数
}Queue;

//初始化
void QInit(Queue* pq);

//销毁
void QueueDestory(Queue* pq);

//不存在头插尾插
//入队列------队尾入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);

//出队列------队头出
void QueuePop(Queue* pq);

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

//取队头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq);
//取队尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq);

//队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

Queue.c（函数实现）

复制代码

//初始化
void QInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->phead = NULL;
	pq->ptail = NULL;
}


//入队------队尾入
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);
	//创建值为x的节点
	QueueNode* newnode =(QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail!");
		exit(1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	//队列为空
	if (pq->phead == NULL)
	{
		pq->phead = pq->ptail = newnode;
	}
	else {
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = pq->ptail->next;
	}
}

//判断队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->phead == NULL;
	//相等返回true，不相等返回false 
}

//出队------队头出
void QueuePop(Queue* pq)
{
	//判断队列是否为空
	assert(!QueueEmpty(pq)); 
	//队列中只有一个节点
	if (pq->phead == pq->ptail)
	{
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else {
		QueueNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
}

//取队头数据
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->phead->data;
}

//取队尾数据
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->ptail->data;
}

//队列有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* pcur = pq->phead;
	int size = 0;
	while (pcur)
	{
		size++;
		pcur = pcur->next;
	}
	return size; 

	//该方法时间复杂度为O（N），如果数据过多，效率太低
	//优化方法：在定义队列结构是，加入一个变量size，入队时，pq->size++,出队时，pq->size---.
	//最后return pq->size即可
	//return pq->size;
}

//销毁
void QueueDestory(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	QueueNode* pcur = pq->phead;
	while (pcur)
	{
		QueueNode* next = pcur->next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
}

（注：可自行创建测试文件去测试并实现一下以上代码，加深理解）

三. 队列的应用场景

3.1 任务调度

在操作系统中，队列常用于任务调度。例如，进程调度中的就绪队列，当多个进程都处于就绪状态等待 CPU 执行时，操作系统会按照一定的调度算法（如先来先服务调度算法），将这些进程依次放入就绪队列中，CPU 从队头取出进程进行执行，执行完成后再取下一个进程，这样就保证了进程按照 "先进先出" 的顺序得到执行（在先来先服务调度算法下）。

此外，在线程池、任务队列等场景中，也会使用队列来管理待执行的任务。当有新的任务产生时，将任务加入到任务队列的队尾；线程池中的线程从任务队列的队头取出任务进行执行，从而实现任务的有序调度和执行。

3.2 缓冲处理

在数据传输和处理过程中，当数据的产生速度和处理速度不匹配时，通常会使用队列作为缓冲。例如，在网络通信中，数据从发送方发送到接收方的过程中，由于网络带宽、传输延迟等因素的影响，数据的到达速度可能会不稳定。此时，接收方会设置一个接收缓冲区（队列），将接收到的数据先放入队列中，然后处理程序再从队列中按照 "先进先出" 的顺序取出数据进行处理。这样可以避免因数据到达速度过快而导致的数据丢失，同时也可以使处理程序能够稳定、高效地处理数据。

另外，在打印机打印文件的过程中，也会使用队列作为打印缓冲区。当多个用户同时向打印机发送打印请求时，这些打印请求会被依次放入打印队列中，打印机从队头取出打印请求进行打印，直到所有打印任务完成。

3.3 广度优先搜索（BFS）

在图和树的遍历算法中，广度优先搜索（Breadth-First Search，BFS）是一种非常重要的遍历方式，而队列是实现广度优先搜索的核心数据结构。

以树的层序遍历为例，层序遍历是指按照树的层次，从根节点开始，依次访问每一层的所有节点，同一层的节点按照从左到右的顺序访问。实现层序遍历的步骤如下：

将根节点入队。

当队列不为空时，取出队头节点，访问该节点。

将该节点的左子节点（如果存在）入队。

将该节点的右子节点（如果存在）入队。

重复步骤 2-4，直到队列为空，此时所有节点都已访问完毕。

在图的广度优先搜索中，原理与树的层序遍历类似，也是通过队列来记录待访问的节点，确保按照 "先访问距离起始节点近的节点，再访问距离远的节点" 的顺序进行遍历。

3.4 消息队列

在分布式系统和大型应用中，消息队列（Message Queue）是一种常用的组件，它基于队列的 "先进先出" 特性，实现了不同系统或模块之间的异步通信。

例如，在电商平台中，当用户下单成功后，需要进行一系列的后续操作，如库存扣减、订单状态更新、发送短信通知、生成物流单等。如果这些操作都在用户下单的主线程中同步执行，会导致用户等待时间过长，影响用户体验。此时，可以使用消息队列来实现异步处理：当用户下单成功后，主线程只需要将订单信息发送到消息队列中，然后立即返回给用户下单成功的结果；而其他相关的处理模块（如库存模块、通知模块、物流模块等）则监听消息队列，当接收到订单消息后，各自从消息队列中取出消息进行相应的处理。这样不仅提高了系统的响应速度，还降低了各个模块之间的耦合度，提高了系统的稳定性和可扩展性。

总结

队列在计算机科学领域有着广泛的应用，从操作系统的任务调度到分布式系统的消息队列，从数据缓冲处理到图和树的遍历算法，都离不开队列的支持。掌握队列的基本原理和实现方式，对于理解和设计高效的算法与系统具有重要的意义。

希望本文能够帮助大家更好地理解和掌握队列这种数据结构，如果在学习过程中遇到任何问题，欢迎在评论区留言讨论！