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🍓🍓系列专栏：渐入佳境之数据结构与算法

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一、队列的概念

队列是一个线性的数据结构，并且这个数据结构只允许在一端进行插入，另一端进行删除，禁止直接访问除这两端以外的一切数据，且队列是一个先进先出的数据结构。

通常，称进数据的一端为队尾，出数据的一端为队首，数据元素进队列的过程称为入队，出队列的过程称为出队

队列与栈类似，实现方式有两种。一种是以数组的方式实现，另一种以单链表来实现。这两种实现方式各有优劣，并且都有细节需要处理。

二、队列的声明与初始化

队列只有链式的设计方法，其本身分为多种队列，如顺序队列和循环队列，还有衍生的优先队列等等，以顺序队列的设计为例。

首先是队列的结点设计，可以设计出两个结构体，一个结构体 Node 表示结点，其中包含有 data 针，如图：

其中 data 表示数据，其可以是简单的类型，也可以是复杂的结构体。next 指针表示，下一个的指针，其指向下一个结点，通过 next 指针将各个结点链接。

然后再添加一个结构体，其包括了两个分别永远指向队列的队尾和队首的指针，看到这里是不是觉得和栈很像？

主要的操作只对这两个指针进行操作，如图所示：

代码实现如下：

typedef int QDataType;
// 链式结构：表示队列 
typedef struct QListNode
{struct QListNode* next;QDataType val;
}QNode;// 队列的结构 
typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;

对于初始化需要初始化两个类型，一个是初始化结点，一个是初始化队列。代码中的描述，初始化队列有些不同，当初始化队列的时候，需要将头尾两个结点指向的内容统统置为空，表示是一个空队列，函数代码可以表示为：

void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}

三、入队

入队操作如图：

进行入队(push)操作的时候，同样的，首先需要判断队列是否为空，如果队列为空的话，需要将头指针和尾指针一同指向第一个结点：

如果队列不为空的时候，这时只需要将尾结点向后移动，通过不断移动 next指针指向新的结点构成队列即可。

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("realloc fail");}newnode->next = NULL;newnode->val = x;if (pq->ptail == NULL){pq->phead = pq->ptail = newnode;}else{pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}pq->size++;
}

四、出队

出队操作如图：

出队(pop)操作，是指在队列不为空的情况下进行的一个判断，当然在此也一定要进行队列判空的操。

如图，如果队列只有一个元素了，也就是说头尾指针均指向了同一个结点，那么直接将头尾两指针置空，并释放这一个结点即可，如图：

当队列含有以上个元素时，需要将队列的头指针指向头指针当前指向的下一个元素，并释放掉当前元素即可，如图：

代码实现如下：

void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);if (pq->phead == pq->ptail){free(pq->phead);pq->phead = pq->ptail = NULL;} else{QNode* next = pq->phead;pq->phead = pq->phead->next;free(next);}pq->size--;
}

五、获取队头和队尾元素

我们有头尾节点的指针，只需要注意链表和节点元素不能为空即可

// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);return pq->phead->val;
}
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->ptail);return pq->ptail->val;
}

六、获取队列中有效元素个数

int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}

七、检测队列是否为空

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size == 0;
}

八、销毁队列

void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);for (int i = 0; i < pq->size; i++){QNode* next = pq->phead;pq->phead = pq->phead->next;free(next);}pq->phead = pq->ptail = NULL;
}

九、完整代码

9.1 Queue.h

typedef int QDataType;
// 链式结构：表示队列 
typedef struct QListNode
{struct QListNode* next;QDataType val;
}QNode;// 队列的结构 
typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* pq);
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* pq);
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* pq);
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* pq);
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* pq);
// 检测队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* pq);

9.2 Queue.c

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("realloc fail");}newnode->next = NULL;newnode->val = x;if (pq->ptail == NULL){pq->phead = pq->ptail = newnode;}else{pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}pq->size++;
}
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);if (pq->phead == pq->ptail){free(pq->phead);pq->phead = pq->ptail = NULL;} else{QNode* next = pq->phead;pq->phead = pq->phead->next;free(next);}pq->size--;
}
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead);return pq->phead->val;
}
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->ptail);return pq->ptail->val;
}
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}
// 检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size == 0;
}
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);for (int i = 0; i < pq->size; i++){QNode* next = pq->phead;pq->phead = pq->phead->next;free(next);}pq->phead = pq->ptail = NULL;
}