数据结构之链式队列的优化

链式队列的优化

上一节我们讲了一下顺序队列的优化，本节我们讲一下链式队列的优化。同理，我们得先知道链式队列的瓶颈在哪里。

链式队列的瓶颈

1.线性表的第一个元素作为队头，线性表的最后一个元素作为队尾；2.入队的新元素是在线性表的最后，时间复杂度为O(n)；

3.出队的元素即链表的第一个元素，时间复杂度O(1)。
问题：如何将入队操作的时间复杂度降低到O(1)?

链式队列的优化方案
1.定义rear指针始终指向链表中的最后一个元素，入队时将新元素通过rear插入队尾，且将rear指向新元素；

2.定义front指针使其始终指向链表中的第一个元素，出队时将队头元素返回，且front指向front下一个元素。

链式队列的关键状态：
空队列状态：front == NULL, rear == NULL;
关键操作：
1.入队：

1.1.rear->next= node;

1.2.rear =node;

1.3.node->next= NULL;

2. 出队：

2.1.front =front->next;

下面看一下实现代码：

创建链式队列

// 定义链式队列结点指针结构体
typedef struct _tag_LinkQueueNode TLinkQueueNode;
struct _tag_LinkQueueNode
{TLinkQueueNode* next;void* item;
};
// 定义链式队列结构体
typedef struct _tag_LinkQueue
{TLinkQueueNode* front;TLinkQueueNode* rear;int length;
} TLinkQueue;
// 创建队列
LinkQueue* LinkQueue_Create() // O(1)
{// 定义返回变量，并申请链式队列队头内存TLinkQueue* ret = (TLinkQueue*)malloc(sizeof(TLinkQueue));// 申请成功，参考空队列条件操作if( ret != NULL ){ret->front = NULL;ret->rear = NULL;ret->length = 0;}return ret;
}

销毁队列和清空队列

// 销毁队列
void LinkQueue_Destroy(LinkQueue* queue) // O(n)
{// 清空队列，释放内存LinkQueue_Clear(queue);free(queue);
}
// 清空队列
void LinkQueue_Clear(LinkQueue* queue) // O(n)
{// 队列不为空时，所有元素出队列while( LinkQueue_Length(queue) > 0 ){LinkQueue_Retrieve(queue);}
}

进队列

// 进队列
int LinkQueue_Append(LinkQueue* queue, void* item) // O(1)
{// 定义链式队列结构变量，并强制转换入口参数TLinkQueue* sQueue = (TLinkQueue*)queue;// 定义链式队列结点指针结构变量，并申请内存TLinkQueueNode* node = (TLinkQueueNode*)malloc(sizeof(TLinkQueueNode));// 合法性检查int ret = (sQueue != NULL ) && (item != NULL) && (node != NULL);// 合法性OKif( ret ){// 保存插入的元素node->item = item;// 如果当前不是空队列if( sQueue->length > 0 ){sQueue->rear->next = node;         // 队尾指针next指向新元素sQueue->rear = node;               // 将队尾指针rear指向新元素node->next = NULL;                 // 新元素next指向空指针}// 当前是空队列else{sQueue->front = node;              // 队头指针指front向新元素sQueue->rear = node;               // 将对尾指针rear指向新元素node->next = NULL;                 // 新元素next指向空指针}// 队列长度加1sQueue->length++;}// 内存申请失败，释放内存，防止内存泄漏if( !ret ){free(node);}return ret;
}

出队列

// 出队列
void* LinkQueue_Retrieve(LinkQueue* queue) // O(1)
{// 定义链式队列结构变量，并强制转换入口参数TLinkQueue* sQueue = (TLinkQueue*)queue;// 定义链式队列结点指针结构变量TLinkQueueNode* node = NULL;void* ret = NULL;// 合法性检查OKif( (sQueue != NULL) && (sQueue->length > 0) ){// 保存当前队列尾指针node = sQueue->front;            // 队列尾指针指向下一个元素sQueue->front = node->next;      // 返回当前队列元素地址ret = node->item;                // 释放当前队列元素内存free(node);                      // 队列长度减1sQueue->length--;                // 队列为空，按队列条件操作if( sQueue->length == 0 ){sQueue->front = NULL;sQueue->rear = NULL;}}return ret;
}

获取队列头指针

// 获取队列头元素
void* LinkQueue_Header(LinkQueue* queue) // O(1)
{// 定义链式队列结构变量，并强制转换入口参数TLinkQueue* sQueue = (TLinkQueue*)queue;void* ret = NULL;// 合法性检查OK,返回队列头元素地址if( (sQueue != NULL) && (sQueue->length > 0) ){ret = sQueue->front->item;}return ret;
}

获取队列长度

// 获取队列长度
int LinkQueue_Length(LinkQueue* queue) // O(1)
{// 定义链式队列结构变量，并强制转换入口参数TLinkQueue* sQueue = (TLinkQueue*)queue;int ret = -1;// 合法性检查OK,返回队列长度if( sQueue != NULL ){ret = sQueue->length;}return ret;
}

验证测试代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "LinkQueue.h"/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */int main(int argc, char *argv[])
{LinkQueue* queue = LinkQueue_Create();int a[10] = {0};int i = 0;for(i=0; i<10; i++){a[i] = i + 1;LinkQueue_Append(queue, a + i);}printf("Header: %d\n", *(int*)LinkQueue_Header(queue));printf("Length: %d\n", LinkQueue_Length(queue));LinkQueue_Clear(queue);while( LinkQueue_Length(queue) > 0 ){printf("Retrieve: %d\n", *(int*)LinkQueue_Retrieve(queue));}LinkQueue_Destroy(queue);return 0;
}

到此我们就完成了链式队列的优化，详细代码见下方链接：

链式队列优化C实现代码

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