【数据结构初阶】六、线性表中的队列（C语言 -- 链式结构实现队列）

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相关代码gitee自取：

C语言学习日记: 加油努力 (gitee.***)

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接上期：

【数据结构初阶】五、线性表中的栈（C语言 -- 顺序表实现栈）_高高的胖子的博客-CSDN博客

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1 . 队列（Queue）

队列的概念和结构：

队列的概念

• 队列是一种只允许在一端执行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作的特殊线性表
                    
• 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
              
• 队列中的数据元素遵守
  先进先出（FIFO -- First In First Out）的原则 -- 先进入的元素会先出来
  所以可以应用在公平性排队(抽号机)、BFS(广度优先遍历)
                      

队列的结构

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2 . 队列的实现

                

使用 顺序表(数组) 或 链表(链式结构) 都可以实现队列，

使用顺序表的话，入队列比较简单，但在出队列时需要删除和挪动数据，效率较低，

所以下面用链表(链式结构)实现队列  --  单向 + 无头 + 非循环 链表

入队 -- 单链表尾部插入(尾插)         ；      出队 -- 单链表头部删除(头删)

               

（详细解释在图片的注释中，代码分文件放下一标题处）

               

实现具体功能前的准备工作

• 定义队列(链式结构)中数据域存储的数据类型
                             
• 定义队列(链式结构)结点类型
  包含 队列指针域 和 队列数据域
               
• 定义队列类型
  包含 头结点指针 、尾结点指针 和 队列结点(元素)个数

图示

            

            

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QueueInit函数 -- 将队列进行初始化

• assert断言队列类型指针不为空
                             
• 将队头结点置为空
  将队尾结点置为空
  队列结点(元素)个数置为0

图示

            

            

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QueueDestroy函数 -- 将队列销毁

• assert断言队列类型指针不为空
                             
• 创建一个在队列进行遍历的指针cur
  使用while循环进行遍历释放队列结点
               
• 结点都释放后，把队头队尾指针都置空
                 
• 再把队列结点(元素)个数置为0

图示

            

            

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QueuePush函数 -- 用链表的尾插操作实现入队

• assert断言队列类型指针不为空
                             
• 为队列结点开辟动态空间并检查空间开辟情况
               
• 结点开辟成功后
  将尾插值(x)赋给队列结点的数据域并将指针域置为空
                 
• 空间开辟后进行尾插
  如果队列刚初始化队列为空，将刚开辟的结点newnode地址赋给头尾结点指针
  队列不为空，正常进行尾插操作
              
• 插入数据后队列结点(元素)个数++

图示

            

            

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QueuePop函数 -- 用链表的头删操作实现出队

• assert断言队列类型指针不为空和队列不为空
                             
• 出队(头删)分两种情况：
  队列中只剩一个结点 -- 头删后头指针移动，尾指针也要移动
  队列不止一个结点 -- 头删后只需移动队头结点
               
• “删除”后队列结点(元素)个数--

图示

            

            

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QueueFront函数 -- 返回队头结点的数据域数据

• assert断言队列类型指针不为空和队列不为空
                             
• 队列有数据，则直接返回队头结点数据域数据

图示

            

            

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QueueBack函数 -- 返回队尾结点的数据域数据

• assert断言队列类型指针不为空和队列不为空
                             
• 队列有数据，则直接返回队尾结点数据域数据

图示​​​​​​​

            

            

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QueueEmpty函数 -- 判断队列是否为空

• assert断言队列类型指针不为空
                             
• 直接判断队头结点指向的下个结点是否为空，直接返回判断结果

图示

            

            

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QueueSize函数 -- 判断队列结点(元素)个数

• assert断言队列类型指针不为空
                             
• 直接返回size队列结点(元素)个数

图示

            

            

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总体测试：

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3 . 对应代码

Queue.h -- 队列头文件

#pragma once

//包含之后需要的头文件：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>

//以链表（链式结构）实现队列：
//双向+循环 的链表可以解决找尾结点的问题，
//定义一个尾指针也可以解决该问题，
//哨兵位 可以解决二级指针的问题，
//且尾插时可以少一层判断，但还有方法可以解决


//定义队列(链式结构)中数据域存储的数据类型：
typedef int QDataType;

//定义队列(链式结构)结点类型：
typedef struct QueueNode
{
	//队列指针域：
	struct QueueNode* next;

	//队列数据域：
	QDataType data;

}QNode; //将类型重命名为Qnode


//定义队列类型：
typedef struct Queue
{
	//因为用链表尾插实现入队，
	//用链表头删实现出队，
	//那么就需要头结点和尾结点的指针，
	//所以可以直接将这两个指针封装为一个类型，
	//队列类型：

	//头结点指针：
	QNode* head;

	//尾结点指针：
	QNode* tail;

	//记录队列结点(元素)个数：
	int size; 

	//这样之后在出队和入队操作时，
	//就不需要用到二级指针，
	//直接接收这个结构体指针，
	//通过结构体指针运用结构体里的头尾结点指针，
	//再用头尾结点指针定义头尾结点
	//来实现 二级指针、带哨兵位头结点 和 返回值 的作用
	//所以现在已知的通过指针定义结点的方法就有4种：
	//		1. 结构体包含结点指针
	//		2. 二级指针调用结点指针
	//		3. 哨兵位头结点指针域next指向结点地址
	//		4. 返回值返回改变的结点指针

}Que; //重命名为Que


//队列初始化函数 -- 将队列进行初始化
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
void QueueInit(Que* pq);

//队列销毁函数 -- 将队列销毁
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
void QueueDestroy(Que* pq);

//队列入队函数 -- 用链表的尾插操作实现入队
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 、尾插值
void QueuePush(Que* pq, QDataType x);

//队列出队函数 -- 用链表的头删操作实现出队
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
void QueuePop(Que* pq);

//队头函数 -- 返回队头结点的数据域数据
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
QDataType QueueFront(Que* pq);

//队尾函数 -- 返回队尾结点的数据域数据
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
QDataType QueueBack(Que* pq);

//判空函数 -- 判断队列是否为空
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
bool QueueEmpty(Que* pq);

//队列大小函数 -- 判断队列结点(元素)个数
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
int QueueSize(Que* pq);

            

            

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Queue.c -- 队列函数实现文件

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

//包含队列头文件：
#include "Queue.h"

//队列初始化函数 -- 将队列进行初始化
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
void QueueInit(Que* pq)
{
	//assert断言队列类型指针不为空：
	assert(pq != NULL);

	//将队头结点置为空：
	pq->head = NULL;

	//将队尾结点置为空：
	pq->tail = NULL;

	//队列结点(元素)个数置为0：
	pq->size = 0;
}



//队列销毁函数 -- 将队列销毁
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
void QueueDestroy(Que* pq)
{
	//assert断言队列类型指针不为空：
	assert(pq != NULL);

	//释放队列跟单链表的释放一样
	//先创建一个在队列进行遍历的指针：
	QNode* cur = pq->head; //从队头结点开始

	//使用while循环进行遍历释放队列结点：
	while (cur != NULL)	
	{
		//先保存下个结点：
		QNode* next = cur->next;

		//再释放当前结点：
		free(cur);

		//再指向下个结点：
		cur = next;
	}

	//结点都释放后，把队头队尾指针都置空：
	pq->head = NULL;
	pq->tail = NULL;

	//再把队列结点(元素)个数置为0：
	pq->size = 0;
}



//队列入队函数 -- 用链表的尾插操作实现入队
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 、尾插值
void QueuePush(Que* pq, QDataType x)
{
	//assert断言队列类型指针不为空：
	assert(pq != NULL);

	//入队放入元素需要空间，
	//所以要先为队列结点开辟动态空间：
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	//检查是否开辟成功：
	if (newnode == NULL)
	{
		//开辟失败则打印错误信息：
		perror("malloc fail");
		//终止程序：
		exit(-1);
	}

	//队列结点完成后将尾插值(x)
	//赋给队列结点数据域：
	newnode->data = x;
	//指针域指向空：
	newnode->next = NULL;

	//空间开辟后进行尾插：
	if (pq->tail == NULL)
		//如果队列刚初始化，队列为空，
		//头结点指针和尾结点指针都为空：
	{
		//那么将刚开辟的结点newnode地址
		//赋给头结点指针和尾结点指针
		pq->head = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
	else
		//队列不为空，进行尾插：
	{
		//将目前队尾结点指针域next指向尾插结点：
		pq->tail->next = newnode;
		//然后再指向尾插结点，成为新队尾结点：
		pq->tail = newnode;
	}

	//插入数据后队列结点(元素)个数++：
	pq->size++;
}



//队列出队函数 -- 用链表的头删操作实现出队
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
void QueuePop(Que* pq)
{
	//assert断言队列类型指针不为空：
	assert(pq != NULL);
	//assert断言队列不为空，没数据不能删除：  
	assert(QueueEmpty(pq) != true); //不为空就继续程序

	//如果队列中只剩一个结点：
	if (pq->head->next == NULL)
		//队头指针指向空，说明只剩一个结点，
		//只剩一个结点说明队头队尾指针都指向这一个结点，
		//所以这时头删后头指针移动，尾指针也要移动
	{
		//先释放("删除")队列目前头结点：
		free(pq->head);

		//删除后将队头队尾指针都置为空：
		pq->head = NULL;
		pq->tail = NULL;
	}
	else
		//队列不止一个结点，则头删后只需移动队头结点：
	{
		//用链表的头删操作实现出队,
		//先保存第二个结点地址：
		QNode* next = pq->head->next;

		//释放("删除")队列目前头结点：
		free(pq->head);

		//再将队头结点指针指向原本第二个结点next，
		//让其成为新的队头结点：
		pq->head = next;
	}

	//“删除”后队列结点(元素)个数--：
	pq->size--; 
}



//队头函数 -- 返回队头结点的数据域数据
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
QDataType QueueFront(Que* pq)
{
	//assert断言队列类型指针不为空：
	assert(pq != NULL);
	//assert断言队列不为空，没数据不能查找：  
	assert(QueueEmpty(pq) != true); //不为空就继续程序

	//队列有数据，则直接返回队头结点数据域数据：
	return pq->head->data;
}



//队尾函数 -- 返回队尾结点的数据域数据
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
QDataType QueueBack(Que* pq)
{
	//assert断言队列类型指针不为空：
	assert(pq != NULL);
	//assert断言队列不为空，没数据不能查找：  
	assert(QueueEmpty(pq) != true); //不为空就继续程序

	//队列有数据，则直接返回队尾结点数据域数据：
	return pq->tail->data;
}



//判空函数 -- 判断队列是否为空
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
bool QueueEmpty(Que* pq)
{
	//assert断言队列类型指针不为空：
	assert(pq != NULL);

	//直接判断队头结点指向的下个结点是否为空：
	return pq->head == NULL; 
	//是则返回true -- 队列为空
	//是则返回false -- 队列不为空
}


//队列大小函数 -- 判断队列结点(元素)个数
//接收队列类型指针(包含链表头尾结点) 
int QueueSize(Que* pq)
{
	//assert断言队列类型指针不为空：
	assert(pq != NULL);

	//直接返回size队列结点(元素)个数：
	return pq->size;
}

            

            

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Test.c -- 队列测试文件

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

//包含队列头文件：
#include "Queue.h"

//队列测试函数：
void TestQueue()
{
	//创建队列类型：
	Que q;

	//对队列类型进行初始化：
	QueueInit(&q);

	//进行入队操作：
	QueuePush(&q, 1);
	QueuePush(&q, 2);
	QueuePush(&q, 3);
	QueuePush(&q, 4);
	QueuePush(&q, 5);

	//当前队尾值：
	printf("当前队尾值：%d\n", QueueBack(&q));

	//当前队列元素个数：
	printf("当前队列元素个数：%d\n", QueueSize(&q));

	//换行：
	printf("\n");

	//使用while循环遍历进行出队：
	//（类似抽号机，当前号抽完就到下个号）
	while (!QueueEmpty(&q))
		//队列不为空就继续出队：
	{
		//打印出队值：
		printf("当前出队值为：%d\n", QueueFront(&q));
		//进行出队：
		QueuePop(&q); //出队后打印下个出队值
	}

	//换行：
	printf("\n");

	//当前队列元素个数：
	printf("当前队列元素个数：%d", QueueSize(&q));

	//销毁队列：
	QueueDestroy(&q);
}

//主函数：
int main()
{
	//调用队列测试函数：
	TestQueue();

	return 0;
}