队列的概念与结构

队列是一种特殊的线性结构，数据只能在一端插入，数据也只能在另一端进行删除。插入数据的那一端称之为队尾，插入数据的动作称之为入队。删除数据的那一端称之为队头，删除数据的动作称之为出列。队列遵守的是FIFO原则（Frist In First Out），即先进先出原则。
在这里插入图片描述
队列具体实现结构比较灵活，只要遵循FIFO原则即可。顺序表的方式实现，虽然尾插数据方便，头删的代价较大，故不推荐。单链表的方式实现，头删数据方便，只需要添加一个记录尾结点的指针，进行尾插数据的效率也还可以。所以本篇文章将以单链表的方式来实现队列。

队列的实现

队列的定义

首先，我们需要定义的是链式结构的队列，即单链表为底层实现的。所以需要定义单链表结构来存储数据。然后，定义队列，队列里需要定义两个指向单链表的指针，一个是指向单链表头结点的指针，另一个则用来保存尾结点地址的指针。最后，还需定义一个记录当前队列元素个数的变量，用于遍历队列和判空。

typedef int QueueDataType;

typedef struct QueueNode
{
    
    
	struct QueueNode* next;
	QueueDataType data;
}QueueNode;

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

初始化队列

首先，断言判断一下指针合法性。然后，需要将队列内两个指针变量初始化。最后，将记录队列有效元素个数的变量初始化一下。

// 初始化队列
void QueueInit(Queue* q)
{
    
    
	assert(q);

	//初始化
	q->head = q->tail = NULL;
	q->size = 0;
}

队列销毁

首先，断言一下指针有效性。然后，依次释放每个结点。最后释放最后一个结点时，把tail和head置空，size置零。

// 销毁队列
void QueueDestroy(Queue* q)
{
    
    
	assert(q);

	//释放结点
	while (q->head)
	{
    
    
		QueueNode* next = q->head->next;
		if (q->tail != q->head)
		{
    
    
			free(q->head);
			q->head = next;
		}
		else
		{
    
    
			//避免野指针
			free(q->head);
			q->head=q->tail = NULL;
		}
	}
	//手动置零
	q->size = 0;
}

队列判空

由于在定义队列时，增加了额外的记录当前有效数据个数的变量，所以这里直接返回该变量与0比较的值即可。

// 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* q)
{
    
    
	return q->size == 0;
}

数据入队

首先，依旧断言判断指针有效性。其次，就是动态开辟结点，并对新节点初始化。然后，进行头插操作，记得第一次插入时，需要单独判断两个指针同时指向新结点。最后，记得让tail指针指向最后一个结点和size++。
在这里插入图片描述

// 队尾入队列
void QueuePush(Queue* q, QueueDataType data)
{
    
    
	//断言判断指针有效性
	assert(q);

	//开辟结点
	QueueNode* newnode = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
	if (NULL == newnode)
	{
    
    
		perror("malloc fail\n");
		return;
	}
	newnode->next = NULL;
	newnode->data = data;


	//插入数据
	//空队列插入数据
	if (q->head == NULL)
	{
    
    
		q->head = q->tail = newnode;
	}
	//非空队列插入数据
	else
	{
    
    
		q->tail->next = newnode;
		q->tail = newnode;
	}

	q->size++;
}

数据出列

首先，当队列为空时，不能进行删除操作，所以断言判断一下是否为空队列。然后，就是头删链表的操作，需要注意的是当只剩一个结点时，对tail进行特殊处理避免野指针。最后，就是让记录有效元素的size–一下。
在这里插入图片描述

// 队头出队列
void QueuePop(Queue* q)
{
    
    
	assert(q);
	//空队列无法删除数据
	assert(!QueueEmpty(q));


	//只有一个数据
	if (q->head == q->tail)
	{
    
    
		free(q->head);
		q->head = q->tail = NULL;
	}
	else
	{
    
    
		//先保存下一个结点
		QueueNode* next = q->head->next;
		free(q->head);
		q->head = next;
	}

	//记录当前数据个数
	q->size--;

}

获取有效数据个数

由于在定义队列时，定义了一个记录当前有效元素个数的变量，所以这里直接返回该变量当前的值即可。

// 获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* q)
{
    
    
	assert(q);

	return q->size;
}

获取队头数据

直接返回第一个结点的data即可。

// 获取队列头部元素
QueueDataType QueueFront(Queue* q)
{
    
    
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));

	return q->head->data;
}

获取队尾数据

直接返回tail指针指向的链表存放的数据即可。

// 获取队列队尾元素
QueueDataType QueueBack(Queue* q)
{
    
    
	assert(q);
	assert(!QueueEmpty(q));

	return q->tail->data;

}

队列的特点

由于队列是FIFO的原则，这就类似于去食堂排队打饭，先排队的就一定先吃上饭。而队尾的就得等先排队的打完饭了，才有机会吃饭。所以队列无论是变入列变出列，还是全部入列后再出列，结果是一样的。这和栈的LIFO原则有些许不同。

数据结构——队列（C语言实现）