【数据结构】队列的完整实现

队列的完整实现

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前言

​ 队列（Queue）作为一种基础且重要的数据结构，在计算机科学中扮演着关键角色。无论是操作系统的任务调度、网络数据包的管理，还是算法中的广度优先搜索（BFS），队列的“先进先出”（FIFO）特性都使其成为不可或缺的工具。理解队列的实现原理，不仅能帮助开发者更高效地处理数据，还能为后续学习复杂的数据结构打下坚实基础。

​ 本文将以 链式结构 为核心，详细介绍队列的完整实现。从结构设计、接口定义到功能测试，一步步剖析如何用C语言实现一个高效、健壮的队列。文章重点讲解入队（push）、出队（pop）、获取队头/队尾元素等核心操作，并通过清晰的代码示例和测试案例，帮助读者深入理解队列的内部机制。此外，所有代码已在GitHub开源，方便读者参考和扩展。

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1. 队列的概念及其结构

1.1 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) 的特性

• 入队列：进行插入操作的一端称为队尾，入队常被称为push
• 出队列：进行删除操作的一端称为队头，出队常被称为pop
• 如下图所示
  

1.2 组织结构

• 队列可以使用数组和链表的结构实现，使用链表的结构实现更优一些。

• 因为如果使用数组的结构，出队列时，在数组头上出数据，效率会比较低

• 而对于链表实现的队列来说，入队对应尾插操作，出队对应头删操作。在链表中，头删和尾插操作只需要O(1)时间复杂度，因此队列更适合使用链表来实现，本文我们采用单链表来实现。

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2. 队列的实现

接口一览

//初始化 与 销毁队列
void QueueInit(Queue* pQueue);
void QueueDestroy(Queue* pQueue);// 队尾入队列    队头出队列
void QueuePush(Queue* pQueue, QDataType data);
void QueuePop(Queue* pQueue);// 获取队列头部元素   /获取队列尾部元素
QDataType QueueFront(Queue* pQueue);
QDataType QueueBack(Queue* pQueue);//获取队列中有效元素个数	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
int QueueSize(Queue* pQueue);
bool QueueEmpty(Queue* pQueue);

结构定义与架构

结构：

//队列，先进先出，数组的话在头部出数据不方便，因此用链表来实现，单链表
typedef int QDataType;typedef struct QNode {		//链式队列，用单链表实现struct QNode* next;QDataType data;
}QNode;//队列中 用两个指针来指示 队头和队尾，方便入队和出队
typedef struct Queue {QNode* head;QNode* tail;int size;
}Queue;

• 使用typedef int QDataType方便队列中存放不同的数据类型
• QNode表示我们链表中一个个的结点，内部包含next指针和数据data
• 使用struct Queue结构来表示整个队列，其中：
  • 规定两个QNode*的指针，分别保存链表第一个结点和尾结点的地址(分别指向第一个结点和最后一个结点)
  • 定义int size来保存队列中的有效元素个数。

架构图如下：

初始化和销毁

初始化：

//初始化 与 销毁队列
void QueueInit(Queue* pQueue) {assert(pQueue);pQueue->head = pQueue->tail = NULL;pQueue->size = 0;
}

• 通过Queue结构体的指针pQueue，来访问结构体中的成员head和tail，通过head和tail指针和链表的特性，可以访问到链表中的每个结点。head和tail指针主要是为了方便访问队头结点和队尾结点。
• assert(pQueue)保证Queue结构存在
• 初始化队列：
  • 链表中无节点时，head和tail指针都置为NULL
  • 初始化size为0

销毁：

//销毁
void QueueDestroy(Queue* pQueue) {assert(pQueue);// 空链表也可以销毁，因此无需断言链表非空QNode* cur = pQueue->head;while (cur != NULL) {QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pQueue->head = pQueue->tail = NULL;pQueue->size = 0;
}

• assert(pQueue)保证Queue结构存在
• QNode* cur = pQueue->head：cur保存当前头结点的地址
  • while循环依次释放每一个结点
  • 保存cur的下一个节点cur->next
  • free(cur)释放当前结点，cur移动指向下一个节点，直到NULL时结束
• pQueue->head = pQueue->tail = NULL：将head和tail指针各自置NULL
• pQueue->size = 0最后将size置0

入队和出队

入队：

// 队尾入队列    队头出队列
void QueuePush(Queue* pQueue, QDataType data) {assert(pQueue);// 开辟新结点，并将数据置于新结点中QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newNode == NULL) {perror("malloc failed\n");return;}newNode->data = data;newNode->next = NULL;// 初始化后，head 和 tail 都为NULLif (pQueue->head == NULL) {assert(pQueue->tail == NULL);	// head为NULL时，tail必须也为NULLpQueue->head = pQueue->tail = newNode;}else {pQueue->tail->next = newNode;pQueue->tail = newNode;}pQueue->size++;
}

• assert(pQueue)保证Queue结构存在
• QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode)); if (newNode == NULL) { perror("malloc failed\n"); return; }开辟一个新结点，并进行初始化。
• 初始化QNode后，push 一个结点本质是单链表的尾插，有两种情况：
  • 队列为空(队列中无节点)时：新开辟的QNode应当成为链表中的第一个节点，pQueue->head = pQueue->tail = newNode操作调整首尾指针即可。
  • 队列中已有其他结点时：此时是单链表的尾插。
    • pQueue->tail->next = newNode：新结点链入原链表
    • pQueue->tail = newNode：更改尾指针指向
• push过后，pQueue->size++，队列的size应当++

出队：

v1版本仅实现：

void QueuePop(Queue* pQueue) {assert(pQueue);assert(pQueue->head != NULL);//if(pQueue->head->next == NULL){}	//考虑只剩一个结点的情况if (pQueue->head == pQueue->tail) {	free(pQueue->head);pQueue->head = pQueue->tail = NULL;}else {QNode* cur = pQueue->head;pQueue->head = pQueue->head->next;free(cur);cur = NULL;}pQueue->size--;
}

• assert(pQueue)：断言队列存在，assert(pQueue->head != NULL)，确保pop时队列内有元素
• pop出队时，销毁第一个结点，确保队列存在且有元素后，此处存在两种情况
  • 当前仅剩一个结点时：pQueue->head == pQueue->tail，直接free当前头结点，将head和tail指针置NULL即可
  • 当前存在多个节点时(else)：
    • QNode* cur = pQueue->head：记录下当前的头结点
    • pQueue->head = pQueue->head->next：头指针向后移动
    • free(cur)后cur = NULL释放之前的头结点的空间，并将cur置NULL
• pop后size应当--

v2版本优化：

• 可以看到，上述的代码中存在多次free，且都是对要被删除的结点进行free，那么是否可以优化为一次free呢

void QueuePop(Queue* pQueue) {assert(pQueue);assert(pQueue->head != NULL);//优化版本QNode* cur = pQueue->head;if (pQueue->head == pQueue->tail)pQueue->head = pQueue->tail = NULL;elsepQueue->head = pQueue->head->next;free(cur);cur = NULL;pQueue->size--;
}

• assert(pQueue)：断言队列存在，assert(pQueue->head != NULL)，确保pop时队列内有元素
• QNode* cur = pQueue->head：不管队列中剩余几个结点，最终都要free头结点，那么cur直接保存头结点的地址，方便进行操作
• pQueue->head == pQueue->tail仅剩一个结点时：仅需对head和tail指针做修改。有多个节点时，pQueue->head = pQueue->head->next，head指针向后移动。
• 最终cur内保存了要被删除的结点的地址，直接free(cur)并置NULL
• pop后size应当--

取队头队尾数据

获取队头数据：

// 获取队列头部元素   获取队列尾部元素
QDataType QueueFront(Queue* pQueue) {assert(pQueue);//确保队列非空assert(!QueueEmpty(pQueue));return pQueue->head->data;
}

• assert(pQueue)确保队列存在，assert(!QueueEmpty(pQueue))确保队列非空，非空队列内才有数据
• 头部数据：return pQueue->head->data，通过头指针head访问队列内第一个结点的数据

获取队尾数据：

//获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* pQueue) {assert(pQueue);//确保队列非空assert(!QueueEmpty(pQueue));return pQueue->tail->data;
}

• assert(pQueue)确保队列存在，assert(!QueueEmpty(pQueue))确保队列非空，非空队列内才有数据
• 尾部数据：return pQueue->tail->data，通过尾指针tail访问队列内最后一个结点的数据

获取size和判空

获取size：

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

• assert(pQueue)：断言指针非空，确保Queue结构体存在
• 直接返回size即可得到元素个数
  • 这里就体现出我们在Queue结构中添加一个size成员的好处，只需在每次Push/Pop后对size进行加减，即可方便的得到队列的size
  • 如果Queue结构内不维护一个size变量的话，由于我们的队列是基于单链表实现的，每次获取队列的大小时都只能遍历链表来得到size，遍历的时间复杂度较高。

判空：

bool QueueEmpty(Queue* pQueue) {assert(pQueue);//return (pQueue->head == NULL && pQueue->tail == NULL);return pQueue->size == 0;	// size为0时为空
}

• assert(pQueue)：断言指针非空，确保Queue结构体存在
• pQueue->size == 0或pQueue->head == NULL && pQueue->tail == NULL，两个条件均可以标识队列为空

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完整代码与功能测试

完整代码如下：

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>//队列，先进先出，数组的话在头部出数据不方便，因此用链表来实现，单链表
typedef int QDataType;typedef struct QNode {		//链式队列，用单链表实现struct QNode* next;QDataType data;
}QNode;//队列中 用两个指针来指示 队头和队尾，方便入队和出队
typedef struct Queue {QNode* head;QNode* tail;int size;
}Queue;//初始化 与 销毁队列
void QueueInit(Queue* pQueue);
void QueueDestroy(Queue* pQueue);// 队尾入队列    队头出队列
void QueuePush(Queue* pQueue, QDataType data);
void QueuePop(Queue* pQueue);// 获取队列头部元素   /获取队列尾部元素
QDataType QueueFront(Queue* pQueue);
QDataType QueueBack(Queue* pQueue);//获取队列中有效元素个数	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
int QueueSize(Queue* pQueue);
bool QueueEmpty(Queue* pQueue);// #include "Queue.h" 多文件编译时，需正确包含头文件//初始化 与 销毁队列
void QueueInit(Queue* pQueue) {assert(pQueue);pQueue->head = pQueue->tail = NULL;pQueue->size = 0;
}
//销毁
void QueueDestroy(Queue* pQueue) {assert(pQueue);QNode* cur = pQueue->head;while (cur != NULL) {QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pQueue->head = pQueue->tail = NULL;pQueue->size = 0;
}// 队尾入队列    队头出队列
void QueuePush(Queue* pQueue, QDataType data) {assert(pQueue);QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newNode == NULL) {perror("malloc failed\n");return;}newNode->data = data;newNode->next = NULL;// 初始化后，head 和 tail 都为NULLif (pQueue->head == NULL) {assert(pQueue->tail == NULL);	// head为NULL时，tail必须也为NULLpQueue->head = pQueue->tail = newNode;}else {pQueue->tail->next = newNode;pQueue->tail = newNode;}pQueue->size++;
}
//队列的头删法
void QueuePop(Queue* pQueue) {assert(pQueue);assert(pQueue->head != NULL);if(pQueue->head->next == NULL){}	//考虑只剩一个结点的情况//if (pQueue->head == pQueue->tail) {	//	free(pQueue->head);//	pQueue->head = pQueue->tail = NULL;//}//else {//	QNode* cur = pQueue->head;//	pQueue->head = pQueue->head->next;//	free(cur);//	cur = NULL;//}//pQueue->size--;//优化版本QNode* cur = pQueue->head;if (pQueue->head == pQueue->tail)pQueue->head = pQueue->tail = NULL;elsepQueue->head = pQueue->head->next;free(cur);cur = NULL;pQueue->size--;
}// 获取队列头部元素   获取队列尾部元素
QDataType QueueFront(Queue* pQueue) {assert(pQueue);//确保队列非空assert(!QueueEmpty(pQueue));return pQueue->head->data;
}
//获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* pQueue) {assert(pQueue);//确保队列非空assert(!QueueEmpty(pQueue));return pQueue->tail->data;
}//获取队列中有效元素个数	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
// 双向链表中，不能用 哨兵位的数据  来存储 链表的长度
// 之前的实现中，结点内存放的数据是int，导致哨兵位内的数据位类型也是int,
int QueueSize(Queue* pQueue) {assert(pQueue);return pQueue->size;
}
bool QueueEmpty(Queue* pQueue) {assert(pQueue);//return (pQueue->head == NULL && pQueue->tail == NULL);return pQueue->size == 0;	// size为0时为空
}

功能测试：

// 需正确包含头文件
#include "Queue.h"void TestQueue() {Queue queue;QueueInit(&queue);QueuePush(&queue, 1);QueuePush(&queue, 2);QueuePush(&queue, 3);QueuePush(&queue, 4);QueuePush(&queue, 6);// 遍历的代码/*while (!QueueEmpty(&queue)) {printf("%d ", QueueFront(&queue));QueuePop(&queue);}*/printf("队尾：%d  有效元素个数：%d\n", QueueBack(&queue), QueueSize(&queue));printf("队头：%d  有效元素个数：%d\n", QueueFront(&queue), QueueSize(&queue));QueuePop(&queue);printf("队尾：%d  有效元素个数：%d\n", QueueBack(&queue), QueueSize(&queue));printf("队头：%d  有效元素个数：%d\n", QueueFront(&queue), QueueSize(&queue));QueuePop(&queue);printf("队尾：%d  有效元素个数：%d\n", QueueBack(&queue), QueueSize(&queue));printf("队头：%d  有效元素个数：%d\n", QueueFront(&queue), QueueSize(&queue));QueuePop(&queue);QueuePop(&queue);printf("队列有效元素个数：%d\n", QueueSize(&queue));while (!QueueEmpty(&queue)) {printf("%d ", QueueFront(&queue));QueuePop(&queue);}QueueDestroy(&queue);
}//函数调用的栈帧  和  数据结构的栈
// 函数调用的栈帧  是操作系统层面对内存区域的划分
// 和  数据结构的栈int main() {TestQueue();return 0;
}

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结语

通过本文的学习，我们完成了队列的完整实现：从结构体设计到核心接口的实现，再到功能验证。关键点包括：

1. 链式结构的优势：使用单链表实现队列，确保入队（尾插）和出队（头删）操作的时间复杂度均为 O(1)。
2. 双指针的妙用：通过 head 和 tail 指针分别标记队头和队尾，避免了遍历链表的性能损耗。
3. 健壮性保障：通过断言（assert）确保操作合法性，并结合 size 字段快速判断队列状态。

希望本文能帮助你彻底掌握队列的实现原理，并激发对数据结构更深层次的探索。

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