C++实现数据结构——队列

这里只讨论队列的链式实现，即链式队列(Linked Queue)

基本概念

链式队列是一种基于链表实现的队列数据结构，它使用链表节点来存储数据元素，并通过指针连接这些节点来形成队列结构。与顺序队列（数组实现）相比，链式队列的主要特点是不需要预先分配固定大小的存储空间，可以动态地增长和缩减。

结构组成

链式队列通常由以下两个部分组成：

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队首指针(front)：指向队列的第一个元素（即将被移除的元素）
队尾指针(rear)：指向队列的最后一个元素（最新添加的元素）

每个节点包含：

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数据域：存储实际的数据
指针域：指向下一个节点的指针

优缺点分析

优点：

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动态大小：不需要预先指定队列大小，可以动态增长
无空间浪费：不会出现顺序队列中的"假溢出"问题
内存利用率高：只在使用时分配内存

缺点：

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每个节点需要额外的指针空间
操作稍慢：需要动态内存分配和释放
内存不连续：可能导致缓存不友好

应用场景

链式队列适合以下情况：

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无法预估队列最大长度的场景
内存碎片化严重的环境
需要频繁插入删除且队列大小变化大的场合

例如：

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操作系统中的进程调度队列
网络数据包缓冲队列
打印机任务队列

时间复杂度分析

操作时间复杂度

入队 O(1)

出队 O(1)

检查空 O(1)

变体与扩展

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双向链式队列：可以在两端进行插入和删除操作
优先队列：结合优先级的链式队列实现
循环链式队列：最后一个节点指向第一个节点，形成循环

实现注意事项

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内存管理：确保正确释放出队节点的内存
边界条件：特别注意空队列和只有一个元素的情况
线程安全：在多线程环境中使用时需要添加同步机制

LinkedQueue.cpp实现

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#include <iostream>
#include <stdexcept> // For std::underflow_error

template <typename T>
class Node {
public:
    T value;
    Node* next;
    Node(T val) : value(val), next(nullptr) {}
};

template <typename T>
class Queue {
private:
    Node<T>* front; // 指向队列首部的指针
    Node<T>* rear;  // 指向队列尾部的指针
    int count;      // 队列中的元素数量
public:
    Queue() : front(nullptr), rear(nullptr), count(0) {}
    ~Queue() { clear(); } // 析构函数，释放所有节点内存
    
    void push(const T& value) { // 在队尾添加元素
        Node<T>* newNode = new Node<T>(value);
        if (rear == nullptr) { // 如果队列为空，则新节点既是头部也是尾部
            front = rear = newNode;
        } else { // 如果队列不为空，将新节点添加到尾部，并更新尾部指针
            rear->next = newNode;
            rear = newNode;
        }
        count++; // 增加计数器
    }
    void pop() { // 从队首移除元素，如果队列为空则抛出异常
        if (empty()) throw std::underflow_error("Queue is empty"); // 检查队列是否为空并抛出异常（可选）
        Node<T>* temp = front; // 保存当前队首节点的指针以便释放内存
        front = front->next; // 更新队首指针到下一个节点
        if (front == nullptr) rear = nullptr; // 如果队列变为空，更新尾部指针为nullptr
        delete temp; // 释放原队首节点的内存
        count--; // 减少计数器
    }
    T& front() { // 获取队首元素但不移除（引用返回）
        if (empty()) throw std::underflow_error("Queue is empty"); // 检查队列是否为空并抛出异常（可选）
        return front->value; // 返回队首节点的值引用（注意：不检查是否为nullptr，因为已经在pop中做了检查）
    }
    bool empty() const { return count == 0; } // 检查队列是否为空
    int size() const { return count; } // 获取队列的大小（元素数量）
    void clear() { // 清空队列，释放所有节点内存（可选）
        while (!empty()) { pop(); } // 清空队列直到为空，释放所有节点内存（可选）
    }
};

main.cpp测试

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