数据结构从入门到精通——队列

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前言

队列是一种特殊的线性数据结构，遵循先入先出（FIFO）的原则。它只允许在队列的末尾添加元素（称为入队操作），并从队列的开头移除元素（称为出队操作）。队列在多种应用中发挥着重要作用，如计算机系统的任务调度、打印机作业管理以及多线程编程中的线程同步等。

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一、队列

1.1队列的概念及结构

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

1.2队列的实现

队列也可以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，出队列在数组头上出数据，效率会比较低。

1.3队列的实现

// 链式结构：表示队列 
typedef struct QListNode 
{ struct QListNode* _pNext; QDataType _data; 
}QNode; // 队列的结构 
typedef struct Queue 
{ QNode* _front; QNode* _rear; 
}Queue; // 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q); 
// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data); 
// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q); 
// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q); 
// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q); 
// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q); 
// 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 QueueEmpty(Queue* q); 
// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q);

1.4扩展

另外扩展了解一下，实际中我们有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统课程讲解生产者消费者模型
时可以就会使用循环队列。环形队列可以使用数组实现，也可以使用循环链表实现。

二、队列面试题

1. 用队列实现栈

2. 用栈实现队列

3. 设计循环队列

4. 循环队列的存储空间为 Q(1:100) ，初始状态为 front=rear=100 。经过一系列正常的入队与退队操作后，front=rear=99 ，则循环队列中的元素个数为（ ）
   A 、1
   B 、2
   C 、99
   D、 0或者100

5. 以下( )不是队列的基本运算？
   A 、从队尾插入一个新元素
   B、 从队列中删除第i个元素
   C、 判断一个队列是否为空
   D、 读取队头元素的值

6. 现有一循环队列，其队头指针为front，队尾指针为rear；循环队列长度为N。其队内有效长度为？(假设
   队头不存放数据)
   A 、(rear - front + N) % N + 1
   B 、(rear - front + N) % N
   C 、(rear - front) % (N + 1)
   D 、(rear - front + N) % (N - 1)

答案：DBB

三、队列的具体实现代码

Queue.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>typedef int QDatatype;
typedef struct QueueNode
{QDatatype val;struct QueueNode* next;
}QNode;typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;
//队列的初始化
void QueueInit(Queue* pq);
//队列的销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDatatype x);
//出队列
void QueuePop(Queue* pq);//队头元素
QDatatype QueueFront(Queue* pq);
//队尾元素
QDatatype QueueBack(Queue* pq);//检测是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);//检测元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

Queue.c

#include "Queue.h"
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}
void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}
void QueuePush(Queue* pq, QDatatype x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("newnode malloc :");return;}newnode->val = x;newnode->next = NULL;if (pq->ptail){pq->ptail->next = newnode;pq->ptail = newnode;}else{pq->phead = pq->ptail = newnode;}pq->size++;
}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size == 0;
}
void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);//assert(!QueueEmpty(pq));assert(pq->phead != NULL);if (pq->phead->next == NULL){free(pq->phead);pq->phead = pq->ptail = NULL;}else{QNode* next = pq->phead->next;free(pq->phead);pq->phead = next;}pq->size--;
}
QDatatype QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead != NULL);return pq->phead->val;
}
QDatatype QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->ptail != NULL);return pq->ptail->val;
}
int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}

test.c

#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);}QueueDestroy(&q);return 0;
}

队列的初始化

//队列的初始化
void QueueInit(Queue* pq);

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

队列的初始化是数据结构学习中不可或缺的一步，它标志着队列这一特定数据存储形式的诞生。队列，又称先进先出（FIFO）的数据结构，允许我们在一端（通常是队尾）添加元素，而在另一端（通常是队头）移除元素。这种特性使得队列在多种应用场景中发挥着重要作用，如操作系统中的任务调度、网络中的缓冲管理等。

在初始化队列时，我们首先需要分配一定的存储空间来存放队列元素。这个存储空间可以是数组、链表或其他适合的数据结构。初始化过程中，我们还需设置两个指针，分别指向队头和队尾，以便进行元素的添加和移除操作。

完成初始化后，队列就处于空状态，即没有元素可供处理。此时，任何尝试从队列中移除元素的操作都会失败，因为队列是空的。然而，可以向队列中添加元素，这些元素将按照添加的顺序依次排列。

随着元素的不断加入，队尾指针会向后移动，指向队列中最后一个元素。当需要从队列中移除元素时，队头指针会向前移动，指向下一个待处理的元素。这种指针的移动保证了队列的先进先出特性，即最早加入队列的元素将最先被移除。

除了基本的添加和移除操作外，队列还支持其他一些有用的操作，如检查队列是否为空、判断队列是否已满等。这些操作使得队列在实际应用中更加灵活和高效。

总之，队列的初始化是队列生命周期的开始，它为队列的后续操作提供了基础。通过对队列的合理初始化和管理，我们可以有效地处理各种需要先进先出处理顺序的场景，提高程序的效率和稳定性。

队列的销毁

//队列的销毁
void QueueDestroy(Queue* pq);

void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;while (cur){QNode* next = cur->next;free(cur);cur = next;}pq->phead = NULL;pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}

队列的销毁涉及清除所有队列元素并释放队列占用的内存空间，确保资源得到正确回收。这通常涉及遍历队列，逐个删除元素，并解除队列与其他数据结构或资源的关联。销毁队列后，其不再可用，需重新创建才能使用。

入队列

//入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDatatype x);

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

入队列（Enqueue）是队列操作的一种，指的是将一个元素添加到队列的尾部。在队列这种先进先出（FIFO）的数据结构中，新添加的元素将排在所有已有元素的后面，等待被处理或移除。入队列操作不会改变队列中已有元素的顺序，保证了队列的先进先出特性。在实际应用中，入队列常用于实现缓冲、任务调度、消息传递等场景。

出队列

//出队列
void QueuePop(Queue* pq);

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

出队列是指从队列中移除并返回队列头部的元素，通常用于实现先进先出（FIFO）的数据结构。在出队列操作中，队列头部元素被移除并返回，队列中的其他元素则向前移动一位。出队列操作的时间复杂度通常为O(1)，因为它只涉及到对队列头部元素的移除和返回，不需要遍历整个队列。在实际应用中，出队列操作常用于缓存管理、任务调度、网络流量控制等场景。

返回队头元素

//队头元素
QDatatype QueueFront(Queue* pq);

QDatatype QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->phead != NULL);return pq->phead->val;
}

队列是一种特殊的线性表，只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作。队列具有先进先出（FIFO）的特性。

"返回队头元素"是对队列进行的一种操作，即获取队列前端（队头）的元素，但并不从队列中删除该元素。这通常用于查看队列中的第一个元素，但不改变队列的状态。

返回队尾元素

//队尾元素
QDatatype QueueBack(Queue* pq);

QDatatype QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(pq->ptail != NULL);return pq->ptail->val;
}

检测队列是否为空

//检测是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq);

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

检测队列是否为空，可以通过检查队列的头部和尾部指针或索引来实现。如果头部和尾部指针或索引相同，说明队列为空；否则，队列不为空。此外，也可以使用队列提供的相关函数或方法，如isEmpty()等，来检测队列是否为空。在实际应用中，检测队列是否为空是常见的操作，常用于控制程序的流程。

在C语言中，没有相关的库函数检验是否为空，在c++中会有相关的数据结构的库

检测元素个数

//检测元素个数
int QueueSize(Queue* pq);

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

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