【数据结构】C语言队列(详解)

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⛳⛳本篇内容:c语言数据结构--C语言实现队列

目录

一.队列概念及结构

1.1队列的概念

1.2队列的结构

二.队列的实现

2.1头文件

2.2链式队列的结构定义

2.3队列接口的定义

2.4初始化队列

2.5判断队列是否为空

2.6销毁队列

2.7队尾入队列

2.8队头出队列

2.9获取队列头部元素

2.10获取队列队尾元素

2.11获取队列中有效元素个数

2.12打印队列元素

Test.c

Queue.h

Queue.c

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一.队列概念及结构

1.1队列的概念

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)

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队列的结构

二.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

2.1头文件

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>

2.2链式队列的结构定义

typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{	QDataType data;struct QueueNode* next;
}QNode;typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;//表示队列整体,一个是出数据，一个是入数据.

  QueueNode结构体表示队列中的节点，每个节点包含一个数据项 data 和一个指向下一个节点的指针 next。Queue结构体表示整个队列，包含指向队列头部和尾部节点的指针 phead 和 ptail，以及记录队列大小的变量 size

2.3队列接口的定义

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

2.4初始化队列

void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查指针是否为空pq->phead=NULL; //将队列的头指针置为空pq->ptail = NULL;//将队列的尾指针置为空pq->size = 0;// 将队列的头指针置为空
}

2.5判断队列是否为空

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);//方法一,将队列的头指针以及尾指针置空//return pq->phead = NULL && pq->ptail==NULL;//方法二,将队列的有效元素置空return pq->size == 0;
}

2.6销毁队列

代码解析:

1. assert(pq) 用于断言 pq 指针不为空，确保传入的指针有效。

2. 创建一个指针 cur，并将其初始化为队列的头指针 pq->phead。

3. 进入循环，遍历队列中的每个节点。

4. 在循环中，首先保存当前节点的下一个节点指针为 next，以便在释放当前节点后能够访问下一个节点。

5. 使用 free(cur) 释放当前节点的内存。

6. 将指针 cur 移动到下一个节点，即 cur = next。

7. 循环继续，直到遍历完队列中的所有节点。

8. 在循环结束后，将队列的头指针和尾指针 pq->phead、pq->ptail 都置为空，表示队列已经为空。

9. 将队列的大小 pq->size 置为 0，表示队列中没有元素。

void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查指针是否为空QNode* cur = pq->phead;// 创建一个指针 cur，指向队列的头指针while (cur){QNode* next = cur->next;// 创建一个指针 cur，指向队列的头指针free(cur);// 释放当前节点的内存cur = next;// 将指针 cur 移动到下一个节点}pq->phead = pq->ptail = NULL;// 将队列的头指针和尾指针置为空pq->size = 0;// 将队列的大小置为0
}

2.7队尾入队列

第一种情况:尾插第一个队列元素

第二种情况:已有元素前提下尾插节点

先尾插节点，后把新节点的地址给ptail(让ptail指向新节点)

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));// 创建一个新的节点if (newnode == NULL){perror("malloc fail\n");// 检查内存分配是否成功return;}newnode->data = x;// 设置新节点的数据为传入的元素值newnode->next = NULL;// 将新节点的指针域置空//一个节点if (pq->ptail == NULL)// 判断队列是否为空{assert(pq->phead == NULL);// 如果队列为空，头指针也应为空pq->phead = pq->ptail = newnode;// 将新节点同时设置为队列的头节点和尾节点}//多个节点else{pq->ptail->next = newnode;// 将新节点同时设置为队列的头节点和尾节点pq->ptail = newnode;// 更新队列的尾指针为新节点}pq->size++;// 增加队列的大小计数
}

代码执行: 

2.8队头出队列

第一种:队列只有一个元素时

第二种:队列有多个元素时

void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查指针是否为空assert(!QueueEmpty(pq));// 检查队列是否非空assert(pq->phead);// 检查队列的头指针是否存在//1.一个节点if (pq->phead->next == NULL) // 队列只有一个节点的情况{free(pq->phead); // 释放队列头节点的内存pq->phead = pq->ptail = NULL;// 将队列的头指针和尾指针置为空}//2.多个节点else{QNode* next = pq->phead->next; //保存队列头节点的下一个节点指针free(pq->phead);// 释放队列头节点的内存pq->phead = next;// 更新队列的头指针为下一个节点}pq->size--;//减少队列的大小计数
}

代码执行: 

2.9获取队列头部元素

QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查指针是否为空assert(!QueueEmpty(pq));// 检查队列是否非空assert(pq->phead);// 检查队列的头指针是否存在return pq->phead->data;// 返回队列头节点的数据
}

代码执行:

2.10获取队列队尾元素

QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查队列是否非空assert(!QueueEmpty(pq));// 检查队列是否非空assert(pq->ptail);// 检查队列的尾指针是否存在return pq->ptail->data;//返回队列尾节点的数据
}

代码执行:

2.11获取队列中有效元素个数

int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);//检查指针是否为空return pq->size;//返回队列的大小（元素个数）
}

代码执行:

2.12打印队列元素

void QPrint(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;QNode* next = cur;while (cur != NULL){printf("%d ", cur->data);cur = cur->next;}
}

代码执行: 

Test.c

#include"Queue.h"
void TestQueue1()//元素入队列
{Queue q;QueueInit(&q);QueuePush(&q,1);QueuePush(&q,2);	//printf("%d ", QueueFront(&q));//QueuePop(&q);QueuePush(&q,3);QueuePush(&q,4);//printf("Size:%d\n", QueueSize(&q));//QPrint(&q);while (!QueueEmpty(&q)){printf("%d ", QueueFront(&q));QueuePop(&q);}printf("\n");
}
void TestQueue2()//元素出队列
{Queue q;QueueInit(&q);QueuePush(&q, 1);QueuePush(&q, 2);QueuePush(&q, 3);QueuePush(&q, 4);printf("%d\n", QueueFront(&q));QueuePop(&q);printf("%d\n", QueueFront(&q));QueuePop(&q);printf("%d\n", QueueFront(&q));QueuePop(&q);printf("%d\n", QueueFront(&q));printf("\n");
}
void TestQueue3()//获取队列头部和尾部元素,和队列元素个数
{Queue q;QueueInit(&q);QueuePush(&q, 1);QueuePush(&q, 2);QueuePush(&q, 3);QueuePush(&q, 4);printf("队列头部元素:%d\n",QueueFront(&q));printf("队列尾部元素:%d\n", QueueBack(&q));printf("Size:%d\n", QueueSize(&q));/*while (!QueueEmpty(&q)){printf("%d ", QueueFront(&q));QueuePop(&q);}*/printf("\n");
}
void TestQueue4()//打印队列
{Queue q;QueueInit(&q);QueuePush(&q, 1);QueuePush(&q, 2);QueuePush(&q, 3);QueuePush(&q, 4);QPrint(&q);printf("\n");
}
int main()
{//TestQueue1();//元素入队列//TestQueue2();//元素出队列//TestQueue3();//获取队列头部和尾部元素,和队列元素个数TestQueue4();
}

Queue.h

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{	QDataType data;struct QueueNode* next;
}QNode;typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Queue;//表示队列整体,一个是出数据，一个是入数据.void QueueInit(Queue* pq);// 初始化队列
void QueueDestroy(Queue* pq);// 销毁队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);// 队尾入队列
void QueuePop(Queue* pq);// 队头出队列
QDataType QueueFront(Queue* pq);// 获取队列头部元素
QDataType QueueBack(Queue* pq);// 获取队列队尾元素
int QueueSize(Queue* pq);// 获取队列中有效元素个数
bool QueueEmpty(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

Queue.c

#include"Queue.h"
void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查指针是否为空pq->phead=NULL; // 将队列的头指针置为空pq->ptail = NULL;// 将队列的头指针置为空pq->size = 0;// 将队列的头指针置为空
}void QPrint(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->phead;QNode* next = cur;while (cur != NULL){printf("%d ", cur->data);cur = cur->next;}
}void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查指针是否为空QNode* cur = pq->phead;// 创建一个指针 cur，指向队列的头指针while (cur){QNode* next = cur->next;// 创建一个指针 cur，指向队列的头指针free(cur);// 释放当前节点的内存cur = next;// 将指针 cur 移动到下一个节点}pq->phead = pq->ptail = NULL;// 将队列的头指针和尾指针置为空pq->size = 0;// 将队列的大小置为0
}void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));// 创建一个新的节点if (newnode == NULL){perror("malloc fail\n");// 检查内存分配是否成功return;}newnode->data = x;// 设置新节点的数据为传入的元素值newnode->next = NULL;// 将新节点的指针域置空//一个节点//多个节点if (pq->ptail == NULL)// 判断队列是否为空{assert(pq->phead == NULL);// 如果队列为空，头指针也应为空pq->phead = pq->ptail = newnode;// 将新节点同时设置为队列的头节点和尾节点}else{pq->ptail->next = newnode;// 将新节点同时设置为队列的头节点和尾节点pq->ptail = newnode;// 更新队列的尾指针为新节点}pq->size++;// 增加队列的大小计数
}void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查指针是否为空assert(!QueueEmpty(pq));// 检查队列是否非空assert(pq->phead);// 检查队列的头指针是否存在//1.一个节点if (pq->phead->next == NULL) // 队列只有一个节点的情况{free(pq->phead); // 释放队列头节点的内存pq->phead = pq->ptail = NULL;// 将队列的头指针和尾指针置为空}else{//头删QNode* next = pq->phead->next; //保存队列头节点的下一个节点指针free(pq->phead);// 释放队列头节点的内存pq->phead = next;// 更新队列的头指针为下一个节点}pq->size--;//减少队列的大小计数
}QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));// 检查队列是否非空assert(pq->phead);// 检查队列的头指针是否存在return pq->phead->data;// 返回队列头节点的数据
}QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);// 检查队列是否非空assert(!QueueEmpty(pq));// 检查队列是否非空assert(pq->phead);// 检查队列的头指针是否存在return pq->ptail->data;//返回队列尾节点的数据
}int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);//检查指针是否为空return pq->size;//返回队列的大小（元素个数）
}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);//方法一,将队列的头指针以及尾指针置空//return pq->phead = NULL && pq->ptail==NULL;//方法二,将队列的有效元素置空return pq->size == 0;
}

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