C语言队列详解

一、什么是队列？

队列（Queue）是一种先进先出（FIFO, First In First Out）的线性数据结构。它只允许在一端插入数据（队尾），在另一端删除数据（队头）。常见于排队、消息缓冲等场景。

二、队列的结构定义

在C语言中，常用链式结构实现队列。每个节点包含数据域和指向下一个节点的指针。

// 队列节点结构体
typedef int QDataType;
​
typedef struct QueueNode {QDataType data;struct QueueNode* next;
} QueueNode;
​
// 队列结构体
typedef struct Queue {QueueNode* phead; // 队头指针QueueNode* ptail; // 队尾指针
} Queue;

三、队列的基本操作

1. 初始化队列

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = pq->ptail = NULL;
}

2. 销毁队列

// 销毁队列
void QueueDestory(Queue* pq)
{assert(pq);QueueNode* cur = pq->phead;while (cur){QueueNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = pq->ptail = NULL;
}

3. 入队（队尾插入）

// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));if (newnode == NULL){printf("malloc fail\n");exit(-1);}newnode->data = x;newnode->next = NULL;if (pq->ptail == NULL){pq->phead = pq->ptail = newnode;}else{pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}
}

4. 出队（队头删除）

// 队头出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));if (pq->phead->next == NULL){free(pq->phead);pq->phead = pq->ptail = NULL;}else{QueueNode* next = pq->phead->next;free(pq->phead);pq->phead = next;}
}

5. 获取队列长度

// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);// 如果频繁调用这个接口函数，可以在Queue中给一个size记录数据个数int n = 0;QueueNode* cur = pq->phead;while (cur){n++;cur = cur->next;}return n;
}

6. 获取队头元素

// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));return pq->phead->data;
}

7. 获取队尾元素

// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));return pq->ptail->data;
}

8. 判断队列是否为空

// 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->ptail == NULL && pq->phead == NULL;
}

四、完整示例

头文件：

#pragma once
#include<assert.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{struct QueueNode* next;QDataType data;
}QueueNode;typedef struct Queue
{QueueNode* phead;//头指针QueueNode* ptail;//尾指针
}Queue;
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq);
// 销毁队列
void QueueDestory(Queue* pq);
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);  // 队尾
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* pq);                // 队头
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(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);
// 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);

.c文件

#include "Queue.h"
// 初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = pq->ptail = NULL;
}
// 销毁队列
void QueueDestory(Queue* pq)
{assert(pq);QueueNode* cur = pq->phead;while (cur){QueueNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = pq->ptail = NULL;
}
// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));if (newnode == NULL){printf("malloc fail\n");exit(-1);}newnode->data = x;newnode->next = NULL;if (pq->ptail == NULL){pq->phead = pq->ptail = newnode;}else{pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}
}
// 队头出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));if (pq->phead->next == NULL){free(pq->phead);pq->phead = pq->ptail = NULL;}else{QueueNode* next = pq->phead->next;free(pq->phead);pq->phead = next;}
}
// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);// 如果频繁调用这个接口函数，可以在Queue中给一个size记录数据个数int n = 0;QueueNode* cur = pq->phead;while (cur){n++;cur = cur->next;}return n;
}
// 获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));return pq->phead->data;
}
// 获取队列队尾元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));return pq->ptail->data;
}
// 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->ptail == NULL && pq->phead == NULL;
}

测试文件：

#include "Queue.h"int main()
{Queue q;QueueInit(&q);QueuePush(&q, 1);QueuePush(&q, 2);printf("%d ", QueueFront(&q));QueuePop(&q);QueuePush(&q, 3);QueuePush(&q, 4);while (!QueueEmpty(&q)){printf("%d ", QueueFront(&q));QueuePop(&q);}printf("\n");return 0;
}

五、注意事项与常见错误

1. 内存管理：每次malloc后都要free，防止内存泄漏。

2. 判空操作：出队、取队头/队尾元素前要判空，防止访问空指针。

3. 队列长度：如需频繁获取队列长度，可在结构体中增加size成员，实时维护。

4. 断言检查：操作前应检查指针有效性。

六、队列的应用场景

• 任务调度、消息缓冲、广度优先搜索（BFS）、打印队列等。

七、总结

队列是一种常用的数据结构，适合需要按顺序处理数据的场景。掌握其链式实现原理和常见操作，有助于更好地理解数据结构和C语言指针操作。