< 数据结构 > 队列的实现
目录
前言
队列的概念
队列的结构
队列的应用场景
队列的实现
创建队列结构
队列初始化
队列销毁
入队列
出队列
队列判空
获取队列元素个数
获取队列头部元素
获取队列尾部元素
总代码
Queue.h 文件
Queue.c 文件
Test.c 文件
前言
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,队列具有先进先出FIFO(First In First Out)
- 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
队列和前文所学的栈还是有一定区别的,队列明确指出先进先出。假如说一个队列的入队顺序为A B C D,那么出队顺序一定为A B C D,因为无论你是在A进去再出来,然后B进去再出来接着CD进去再出来或者类似的,都不会影响它最终的出队顺序A B C D。这点和栈还是有区别的,毕竟栈是后进先出。
队列的结构
队列的应用场景
队列:
- 公平排队
- 广度优先遍历 ……
栈:
- 解决括号匹配
- 逆波兰表达式求解
- 递归改非递归 ……
队列的实现
- 在实现之前,首先得考虑用哪种结构好,是用数组结构还是链式结构呢?上文的栈我们使用的是数组结构,难道队列也要用吗?
- 其实不然。应该使用链式结构。前文栈删除数据不需要挪动数据,使用数组结构即可满足需求,而队列在删除数据时需要把后面的数据挪到前面,使用链式结构非常容易实现,只需改变节点指向即可,而数组结构想要实现挪动数据则非常麻烦。综上,使用链式结构是最优的。此外,单链表即可满足需求,不需要使用其余较为复杂的链式结构。
创建队列结构
- 思路:
这里要定义两个结构体,除了要定义1个链式结构来记录各个节点外,还要定义一个结构来记录队头和队尾。以此方便后续的队尾入数据,队头出数据。
- Queue.h 文件:
//创建队列结构 typedef int QDataType; //方便后续更改存储数据类型,本文以int为例//创建队列节点 typedef struct QueueNode {QDataType data; //存储数据struct QueueNode* next; //记录下一个节点 }QNode;//保存队头和队尾 typedef struct Queue {QNode* head; //头指针QNode* tail; //尾指针 }Queue;
队列初始化
- 思路:
队列可以为空,但是管理头指针和尾指针的结构体不能为空,所以一开始就要断言。其次,在插入数据前,队列肯定是空的,所以直接把头指针和尾指针置空即可。
- Queue.h 文件:
//初始化队列 void QueueInit(Queue* pq);
- Queue.c 文件:
//初始化队列 void QueueInit(Queue* pq) {assert(pq);pq->head = pq->tail = NULL; }
队列销毁
- 思路:
销毁队列就是把队列的每个数据都销毁掉,那么需要遍历链表进行挨个销毁free。首先定义一个cur指针为pq->head,用来保存第一个数据,遍历cur,如果不为空,就free。最后把tail和head置空即可。
- Queue.h 文件:
//销毁队列 void QueueDestory(Queue* pq);
- Queue.c 文件:
//销毁队列 void QueueDestory(Queue* pq) {assert(pq);QNode* cur = pq->head;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->head = pq->tail = NULL; }
入队列
- 思路:
入队列其实很简单,只需要尾插即可,首先要新创建一个节点来保存新插入的数据。但是在尾插之前要考虑如果一开始队列没有数据,为空,那么只需要把head和tail节点指向新节点newnode节点即可。相反的,如果一开始就有数据,那么只需正常尾插把tail的next指向新节点newnode,再把newnode赋给tail即可。
- Queue.h 文件:
//入队列 void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
- Queue.c 文件:
//入队列 void QueuePush(Queue* pq, QDataType x) {assert(pq);//创建一个新节点保存数据QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));//暴力检测newnode,因为malloc的都要检测assert(newnode);newnode->next = NULL;newnode->data = x;//如果一开始没有数据,为空的情况if (pq->tail == NULL){assert(pq->head == NULL);pq->head = pq->tail = newnode;}else{pq->tail->next = newnode;pq->tail = newnode;} }
出队列
- 思路:
特殊情况:
这里在删除数据时,首先要考虑特殊情况,当删到只剩一个数据时,再删一次,此时数据是没了,不过head为空了,而tail变成野指针了,为了避免此现象的产生,单独讨论并置空head和tail即可。
一般情况:
此时只需要定义一个next指针保存head的下一个节点,将head移动到next即可,并把旧的head置空。
- Queue.h 文件:
//出队列 void QueuePop(Queue* pq);
- Queue.c 文件:
//出队列 void QueuePop(Queue* pq) {assert(pq);assert(pq->head && pq->tail); //tail和head均不能为空//特殊:当删到head=tail的位置时if (pq->head->next == NULL){free(pq->head);pq->head = pq->tail = NULL;}//一般情况else{//保存head的下一个节点QNode* next = pq->head->next;free(pq->head);pq->head = next;} }
队列判空
- 思路:
如果head为空或者tail为空都是判空的条件,直接返回即可。
- Queue.h 文件:
//判空 bool QueueEmpty(Queue* pq);
- Queue.c 文件:
//判空 bool QueueEmpty(Queue* pq) {assert(pq);return pq->head == NULL; }
获取队列元素个数
- 思路:
求元素个数其实不难,只需要定义一个cur指针为第一个数据pq->head,定义变量size来记录个数。依次遍历cur,不为空,size就++。这种遍历的思想不复杂,但时间复杂度达到O(N),不是太好,想要O(1)的话可以直接在当初定义结构体时多定义一个size变量,专门用来记录有效元素个数,每次入队列size++,出队列size--。这样实现是比较好的,不过为了封装成一个独立模块,还是采用遍历的方式。如下:
- Queue.h 文件:
//获取有效元素个数 size_t QueueSize(Queue* pq);
- Queue.c 文件:
//获取有效元素个数 size_t QueueSize(Queue* pq) {assert(pq);QNode* cur = pq->head;size_t size = 0;while (cur){size++;cur = cur->next;}return size; }
获取队列头部元素
- 思路:
首先要断言头部不能为空,如果头部都为空了,那还怎么能获得头部元素,其次直接返回头部head的数据即可。
- Queue.h 文件:
//获取队头元素 QDataType QueueFront(Queue* pq);
- Queue.c 文件:
//获取队头元素 QDataType QueueFront(Queue* pq) {assert(pq);assert(pq->head); //头部不能为空return pq->head->data; }
获取队列尾部元素
- 思路:
有了获取队头元素的经验,队尾就更简单了,把head换位tail即可,结构与上文一样。
- Queue.h 文件:
//获取队尾元素 QDataType QueueBack(Queue* pq);
- Queue.c 文件:
//获取队尾元素 QDataType QueueBack(Queue* pq) {assert(pq);assert(pq->tail); //尾部不能为空return pq->tail->data; }
总代码
Queue.h 文件
#pragma once #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<assert.h> #include<stdbool.h>//创建队列结构 typedef int QDataType; //方便后续更改存储数据类型,本文以int为例//创建队列节点 typedef struct QueueNode {QDataType data; //存储数据struct QueueNode* next; //记录下一个节点 }QNode;//保存队头和队尾 typedef struct Queue {QNode* head; //头指针QNode* tail; //尾指针 }Queue;//初始化队列 void QueueInit(Queue* pq);//销毁队列 void QueueDestory(Queue* pq);//入队列 void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);//出队列 void QueuePop(Queue* pq);//判空 bool QueueEmpty(Queue* pq);//获取有效元素个数 size_t QueueSize(Queue* pq);//获取队头元素 QDataType QueueFront(Queue* pq);//获取队尾元素 QDataType QueueBack(Queue* pq);
Queue.c 文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include"Queue.h"//初始化队列 void QueueInit(Queue* pq) {assert(pq);pq->head = pq->tail = NULL; }//销毁队列 void QueueDestory(Queue* pq) {assert(pq);QNode* cur = pq->head;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->head = pq->tail = NULL; }//入队列 void QueuePush(Queue* pq, QDataType x) {assert(pq);//创建一个新节点保存数据QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));//暴力检测newnode,因为malloc的都要检测assert(newnode);newnode->next = NULL;newnode->data = x;//如果一开始没有数据,为空的情况if (pq->tail == NULL){assert(pq->head == NULL);pq->head = pq->tail = newnode;}else{pq->tail->next = newnode;pq->tail = newnode;} }//出队列 void QueuePop(Queue* pq) {assert(pq);assert(pq->head && pq->tail); //tail和head均不能为空//特殊:当删到head=tail的位置时if (pq->head->next == NULL){free(pq->head);pq->head = pq->tail = NULL;}//一般情况else{//保存head的下一个节点QNode* next = pq->head->next;free(pq->head);pq->head = next;} }//判空 bool QueueEmpty(Queue* pq) {assert(pq);return pq->head == NULL; }//获取有效元素个数 size_t QueueSize(Queue* pq) {assert(pq);QNode* cur = pq->head;size_t size = 0;while (cur){size++;cur = cur->next;}return size; }//获取队头元素 QDataType QueueFront(Queue* pq) {assert(pq);assert(pq->head); //头部不能为空return pq->head->data; }//获取队尾元素 QDataType QueueBack(Queue* pq) {assert(pq);assert(pq->tail); //尾部不能为空return pq->tail->data; }
Test.c 文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include"Queue.h" void TestQueue() {Queue q;QueueInit(&q);//插入数据QueuePush(&q, 1);QueuePush(&q, 2);QueuePush(&q, 3);QueuePush(&q, 4);//打印while (!QueueEmpty(&q)){printf("%d ", QueueFront(&q));QueuePop(&q);}printf("\n"); } int main() {TestQueue();return 0; }
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