【数据结构】栈和队列(队列篇）

╰半夏微凉° 2023-10-13 09:59 51阅读 0赞

> 上期我们已经学习了数据结构中的栈，这期我们开始学习队列。

**目录**

1.队列的概念及结构

2.队列的实现

队列结构体定义

常用接口函数

初始化队列

队尾入队列

队头出队列

获取队列头部元素、

获取队列队尾元素

获取队列中有效元素个数

检测队列是否为空

销毁队列

3.循环队列

--------------------

## 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**

![745f390f042a4ebd8915d1a31ab92371.png][]

从网上找来的队列结构示意图：![ddc2ea31943541d4a08b85434efcaa8c.png][]

![f37a4652343346469d6e1d897b76a2a7.png][]

## 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。

### 队列结构体定义 ###

我们使用的是不带头节点的单向链表来实现队列，而队列要在队尾插入数据，因此每次都要遍历链表找队尾，这样会使得程序的运行效率变低。这里采取了一种解决办法：定义一个指向队尾的指针**tail****，**每次插入新的数据就只要将**tail**中的**next**指针指向新节点即可，同时插入新的数据后再更新**tail**的位置。

typedef int QDataType;
    typedef struct QueueNode
    {
    	struct QueueNode* next;
    	QDataType data;
    }QNode;

这里单独定义了一个结构体来存储头指针**head**和尾指针**tail**。

typedef struct Queue
    {
    	QNode* head;
    	QNode* tail;
    }Queue;

### 常用接口函数 ###

//初始化
    void QueueInit(Queue* pq);
    //插入数据
    void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
    //销毁
    void QueueDestroy(Queue* pq);
    //弹出
    void QueuePop(Queue* pq);
    //取队头数据
    QDataType QueueFront(Queue* pq);
    //取队尾数据
    QDataType QueueBack(Queue* pq);
    //判断是否为空
    bool QueueEmpty(Queue* pq);
    //计算大小
    int QueueSize(Queue* pq);

#### 初始化队列 ####

由于这里使用的是不带头节点的单向链表，所以初始化队列只需要将头指针和尾指针都指向空即可。如果是要定义一个带头节点的链表，则需要在这里创建一个头节点

//初始化
    void QueueInit(Queue* pq)
    {
    	assert(pq);
    	pq->head = pq->tail = NULL;
    }

#### 队尾入队列 ####

由于我们已经将链表的尾部给记录了下来，所以不需要遍历链表，只要尾部节点中的next指针指向新节点

![3ab6cc90ad784da29d2a6b818ce49c26.png][]

同时需要判断链表是否为空，如果链表是第一次插入数据，需要将头指针和尾指针都指向新节点。

![0a6da521e148463d9e19ffdd193adbb9.png][]

//队尾插入数据
    void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
    {
    	assert(pq);
    	//创建新节点
    	QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
    	if (newNode == NULL)
    	{
    		printf("malloc fail\n");
    		exit(-1);
    	}
    	newNode->data = x;
    	newNode->next = NULL;
    	
    	//将新节点链接起来
    	if (pq->tail == NULL)
    	{
    		pq->head = pq->tail = newNode;
    	}
    	else
    	{
    		pq->tail->next = newNode;
    		pq->tail = newNode;
    	}
    }

#### 队头出队列 ####

在弹出数据之前，要判断链表是否为空，这里可以用assert断言：

#### ![60a03781365f4f24b27764b1806fdf37.png][] ####

接下来是具体的弹出操作：

*  判断队列是否只有一个节点。如果是，表示队列中只剩下一个节点，直接释放这个节点，同时将头指针和尾指针都置为空。
 *  如果队列中有多个节点，将头指针`pq->head`指向下一个节点，然后释放原来的头节点。这样就完成了一个节点的弹出操作。

//弹出
    void QueuePop(Queue* pq)
    {
    	assert(pq);
    	assert(!QueueEmpty(pq));
    
    	if (pq->head->next == NULL)
    	{
    		free(pq->head);
    		pq->head = pq->tail = NULL;
    	}
    	else
    	{
    		QNode* next = pq->head->next;
    		free(pq->head);
    		pq->head = next;
    	}
    }

#### 获取队列头部元素、 ####

返回队列头节点的数据 `pq->head->data`即可。

//取队头数据
    QDataType QueueFront(Queue* pq)
    {
    	assert(pq);
    	assert(!QueueEmpty(pq));
    
    	return pq->head->data;
    }

#### 获取队列队尾元素 ####

*  返回队列尾节点的数据 `pq->tail->data`即可。

//取队尾数据
    QDataType QueueBack(Queue* pq)
    {
    	assert(pq);
    	assert(!QueueEmpty(pq));
    
    	return pq->tail->data;
    }

#### 获取队列中有效元素个数 ####

计算大小有多种方法，常用的两种是：

一种是在定义Queue结构体时增加一个用于计数的变量，每次插入数据就自加一下，弹出数据就自减一下。

typedef struct Queue
    {
    	int size;
    	QNode* head;
    	QNode* tail;
    }Queue;

另外一种是遍历链表，这种方法效率比较低，当然，如果你不在乎这点效率问题，你可以使用这种方法，我们这里也是使用这种方式：

//计算大小
    int QueueSize(Queue* pq)
    {
    	assert(pq);
    	QNode* cur = pq->head;
    	int size = 0;
    
    	while (cur)
    	{
    		++size;
    		cur = cur->next;
    	}
    
    	return size;
    }

#### 检测队列是否为空 ####

如果头节点head为空，则队列为空。

//判断是否为空
    bool QueueEmpty(Queue* pq)
    {
    	assert(pq);
    	return pq->head == NULL;
    }

#### 销毁队列 ####

销毁队列和销毁普通链表一样：

*  使用一个指针`cur`指向队列的头节点`pq->head`。
 *  在一个循环中，遍历队列的所有节点，直到`cur`为空。
 *  循环结束后，将队列的头指针和尾指针都置为空，表示队列已经被销毁。

//销毁
    void QueueDestroy(Queue* pq)
    {
    	assert(pq);
    	QNode* cur = pq->head;
    	while (cur)
    	{
    		QNode* next = cur->next;
    		free(cur);
    		cur = next;
    	}
    
    	pq->head = pq->tail = NULL;
    }

## 3.循环队列 ##

### 循环队列的概念 ###

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。

> 循环队列是一种在**固定大小**的数组或链表上实现的队列，它可以通过循环利用数组或链表中的空间来实现入队和出队操作。当队列满时，新的元素会从开头重新进入队列，实现循环利用。 ![c01bf1009f2d4f9e8754b875804fb5d1.png][]

通常循环队列有两个指针，一个是头指针head,另一个是尾指针tail, 当head和tail指向同一个节点时，表示队列为空。

当从队尾插入一个数据时，tail就会向后移动。当弹出队头数据时，head向后移动。

空的循环队列：

![9d7ecbe761824111891caf26a102bdc9.png][]

插入3个数据：

![059da19caa4f40329b2fd97a4bccd706.png][]

弹出一个队首的数据：

![677d35c23d6846f694e1a9530d8b4636.png][]

按照上面这种情况，当队列已经满了的时候，head和tail也会指向同一个节点。这样我们就无法区分队列是空还是满了。因此想出了这两种方法：

> 方案一：设置一个变量size计算队列元素个数，如果size与队列容量相等时，说明队列已满。
> 
> 方案二：多开一个空间，不存储数据。 当 tail->next==head 时，表示已经满了。
> 
> ![211fce25193b40a4a72029a11a370097.png][]
> 
> 一般方案二的实用性较强。

![72ac9069833b45c4baedc4daa9fb1b1f.png][]

用方案二这种方法我们会发现，**如果使用链表的形式实现队列，由于tail每次都是指向尾节点的下一个节点，当我们要取尾节点的数据时，不是很方便。**

因此，**我们可以使用数组来实现队列。**

### 用数组实现循环队列 ###

原题链接：[力扣][Link 1]

![ddd7552db2354207ab098f523afc37d4.png][]

typedef struct 
    {
        int* a;
        int k;
        int head;
        int tail;
    } MyCircularQueue;
    
    
    MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) 
    {
        MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
        //带有一个不存储数据的头
        obj->a = (int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
        obj->k = k;
        obj->head = obj->tail = 0;
    
        return obj;
    }
    
    bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) 
    {
        return obj->head == obj->tail;
    }
    
    bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) 
    {
        int next = obj->tail + 1;
        if(obj->tail == obj->k)
        {
            next = 0;
        }
    
        return next == obj->head;
    }
    
    bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) 
    {
        if(myCircularQueueIsFull(obj))
        {
            return false;
        }
    
        obj->a[obj->tail] = value;
        obj->tail++;
    
        //tail到达数组临界，调整tail位置到开头，以达到循环队列效果
        if(obj->tail == obj->k + 1)
        {
            obj->tail = 0;
        }
    
        return true;
    }
    
    bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) 
    {
        if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        {
            return false;
        }
    
        obj->head++;
    
        if(obj->head == obj->k + 1)
        {
            obj->head = 0;
        }
    
        return true;
    }
    
    int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) 
    {
        if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        {
            return -1;
        }
    
        return obj->a[obj->head];
    }
    
    int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) 
    {
        if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        {
            return -1;
        }
    
        int prev = obj->tail - 1;
        if(obj->tail == 0)
        {
            prev = obj->k;
        }
    
        return obj->a[prev];
    }
    
    void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) 
    {
        free(obj->a);
        free(obj);
    }

[745f390f042a4ebd8915d1a31ab92371.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/745f390f042a4ebd8915d1a31ab92371.png
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[Link 1]: https://leetcode.cn/problems/design-circular-queue/
[ddd7552db2354207ab098f523afc37d4.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/ddd7552db2354207ab098f523afc37d4.png