【数据结构】队列（Queue）详解——数据结构的“先进先出”

yy_xzz2025-10-29 13:45

在学习数据结构的过程中，**队列（Queue）是继栈之后非常重要的一个结构。队列遵循先进先出（FIFO）**的原则，常常用于任务调度、消息处理等场景。今天我们将一起深入了解队列的基本概念、常见类型（普通队列、循环队列、链式队列）以及它们的实现方法。

一、什么是队列？

队列（Queue）是一种线性数据结构 ，它的特点是先进先出（FIFO） 。

队列的元素总是从队头（front）移除，而从队尾（rear）插入。你可以把队列想象成排队买票，最先排队的人最先买到票。

🧩 队列的形象比喻

假设你和朋友们排队买冰淇淋。你站在队伍的队尾，大家按照顺序排队，队伍中的每个人依次向前，直到最先排队的人先买到冰淇淋。你是队列中的一个元素，等待自己的回合。

  • 队头（front）：最先排队的人。
  • 队尾（rear）：最后排队的人。

队列操作简介

  • 入队（Enqueue）：向队列的队尾插入元素。
  • 出队（Dequeue）：从队列的队头移除元素。
  • 队头元素（Front）：获取队头元素，但不移除。
  • 队列是否为空（isEmpty）：检查队列是否为空。
  • 队列是否满（isFull）：检查队列是否已满（仅对固定大小的队列有用）。

二、普通队列

📦 普通队列的定义

普通队列 是最基础的队列类型。它使用一个数组 来存储队列的元素，通过两个指针（front 和 rear）来表示队头和队尾的位置。

🌿 普通队列的实现（C++）

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

#define MAX_SIZE 5  // 队列最大容量

class Queue {
private:
    int arr[MAX_SIZE];  // 队列存储元素的数组
    int front;          // 队头指针
    int rear;           // 队尾指针

public:
    Queue() {
        front = -1;  // 初始化队头为-1，表示队列为空
        rear = -1;   // 初始化队尾为-1
    }

    // 入队操作
    void enqueue(int value) {
        if (rear == MAX_SIZE - 1) {
            cout << "队列已满，无法入队！" << endl;
            return;
        }
        if (front == -1) front = 0;  // 如果队列为空，设置队头为0
        arr[++rear] = value;  // 队尾指针向后移动，插入元素
        cout << "入队：" << value << endl;
    }

    // 出队操作
    void dequeue() {
        if (front == -1 || front > rear) {
            cout << "队列为空，无法出队！" << endl;
            return;
        }
        cout << "出队：" << arr[front++] << endl;  // 队头指针向后移动，移除元素
    }

    // 获取队头元素
    int frontElement() {
        if (front == -1 || front > rear) {
            cout << "队列为空！" << endl;
            return -1;
        }
        return arr[front];  // 返回队头元素
    }

    // 检查队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return front == -1 || front > rear;
    }

    // 打印队列内容
    void print() {
        if (front == -1 || front > rear) {
            cout << "队列为空！" << endl;
            return;
        }
        cout << "队列内容：";
        for (int i = front; i <= rear; i++) {
            cout << arr[i] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
};

💻 使用普通队列的演示（C++ 示例）

cpp 复制代码 
int main() {
    Queue q;

    q.enqueue(10);
    q.enqueue(20);
    q.enqueue(30);
    q.enqueue(40);
    q.enqueue(50);

    q.print();  // 输出队列内容

    q.dequeue();  // 出队
    q.dequeue();  // 出队

    q.print();  // 输出队列内容

    cout << "队头元素：" << q.frontElement() << endl;

    return 0;
}

🧑‍💻 代码输出：

复制代码 
入队：10
入队：20
入队：30
入队：40
入队：50
队列内容：10 20 30 40 50
出队：10
出队：20
队列内容：30 40 50
队头元素：30

三、循环队列

📦 循环队列的定义

循环队列 是对普通队列的一种改进。普通队列存在一个问题，当队列的元素被移除后，虽然队列的空间被释放了，但是队头指针和队尾指针 可能会一直保持在队列的开头部分，这就导致了空间浪费。

为了避免这个问题，循环队列通过将队尾指针和队头指针做循环利用，实现队列的循环存储。换句话说，当队尾指针到达数组的末尾时，它会重新回到数组的开头。

🌿 循环队列的实现（C++）

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;

#define MAX_SIZE 5  // 队列最大容量

class CircularQueue {
private:
    int arr[MAX_SIZE];  // 队列存储元素的数组
    int front;          // 队头指针
    int rear;           // 队尾指针

public:
    CircularQueue() {
        front = rear = -1;  // 初始化队列为空
    }

    // 入队操作
    void enqueue(int value) {
        if ((rear + 1) % MAX_SIZE == front) {  // 队列已满
            cout << "队列已满，无法入队！" << endl;
            return;
        }
        if (front == -1) front = 0;  // 如果队列为空，设置队头为0
        rear = (rear + 1) % MAX_SIZE;  // 循环队尾指针
        arr[rear] = value;  // 插入元素
        cout << "入队：" << value << endl;
    }

    // 出队操作
    void dequeue() {
        if (front == -1) {
            cout << "队列为空，无法出队！" << endl;
            return;
        }
        cout << "出队：" << arr[front] << endl;
        if (front == rear) {  // 队列只有一个元素
            front = rear = -1;
        } else {
            front = (front + 1) % MAX_SIZE;  // 循环队头指针
        }
    }

    // 获取队头元素
    int frontElement() {
        if (front == -1) {
            cout << "队列为空！" << endl;
            return -1;
        }
        return arr[front];  // 返回队头元素
    }

    // 检查队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return front == -1;
    }

    // 打印队列内容
    void print() {
        if (front == -1) {
            cout << "队列为空！" << endl;
            return;
        }
        cout << "队列内容：";
        int i = front;
        while (i != rear) {
            cout << arr[i] << " ";
            i = (i + 1) % MAX_SIZE;  // 循环遍历
        }
        cout << arr[rear] << endl;  // 打印队尾元素
    }
};

💻 使用循环队列的演示（C++ 示例）

cpp 复制代码 
int main() {
    CircularQueue q;

    q.enqueue(10);
    q.enqueue(20);
    q.enqueue(30);
    q.enqueue(40);
    q.enqueue(50);

    q.print();  // 输出队列内容

    q.dequeue();  // 出队
    q.dequeue();  // 出队

    q.print();  // 输出队列内容

    cout << "队

头元素：" << q.frontElement() << endl;

复制代码 
return 0;

}

复制代码 
### 🧑‍💻 代码输出：

入队：10

入队：20

入队：30

入队：40

入队：50

队列内容：10 20 30 40 50

出队：10

出队：20

队列内容：30 40 50

队头元素：30

复制代码 
---

## 四、链式队列

### 📦 链式队列的定义

**链式队列**使用**链表**来实现队列。在链式队列中，每个元素（节点）不仅包含数据，还包含指向下一个元素的指针。链式队列的优点是可以动态地扩展，不会受到固定容量的限制。

### 🌿 链式队列的实现（C++）

```cpp
#include <iostream>
using namespace std;

struct Node {
    int data;
    Node* next;
};

class LinkedQueue {
private:
    Node* front;  // 队头指针
    Node* rear;   // 队尾指针

public:
    LinkedQueue() {
        front = rear = nullptr;  // 初始化队列为空
    }

    // 入队操作
    void enqueue(int value) {
        Node* newNode = new Node();
        newNode->data = value;
        newNode->next = nullptr;
        if (rear == nullptr) {
            front = rear = newNode;  // 如果队列为空，头尾指针都指向新节点
        } else {
            rear->next = newNode;  // 将新节点加入队尾
            rear = newNode;
        }
        cout << "入队：" << value << endl;
    }

    // 出队操作
    void dequeue() {
        if (front == nullptr) {
            cout << "队列为空，无法出队！" << endl;
            return;
        }
        Node* temp = front;
        cout << "出队：" << temp->data << endl;
        front = front->next;  // 队头指针后移
        delete temp;  // 释放内存
    }

    // 获取队头元素
    int frontElement() {
        if (front == nullptr) {
            cout << "队列为空！" << endl;
            return -1;
        }
        return front->data;  // 返回队头元素
    }

    // 检查队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return front == nullptr;
    }

    // 打印队列内容
    void print() {
        if (front == nullptr) {
            cout << "队列为空！" << endl;
            return;
        }
        cout << "队列内容：";
        Node* temp = front;
        while (temp != nullptr) {
            cout << temp->data << " ";
            temp = temp->next;
        }
        cout << endl;
    }
};

五、小结

队列类型 特点 优点 缺点
普通队列 使用数组实现，队头和队尾使用指针管理 实现简单，适用于固定大小的队列 队列满时无法扩展，空间利用率低
循环队列 对普通队列的优化，通过循环利用数组空间 更高效的空间利用 需要处理队头和队尾指针的循环问题
链式队列 使用链表实现，队列元素动态分配空间 动态扩展，适合不确定大小的队列 节点管理复杂，增加了内存开销
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