数据结构——顺序队列与链式队列的实现

目录

一、概念

1、队列的定义

2、队首

3、队尾

二、接口

1、可写接口

1）数据入队

2）数据出队

3）清空队列

2、只读接口

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1）获取队首数据

2）获取队列元素个数

3）队列的判空

三、队列的顺序表实现

1、数据结构定义

2、初始化创造队列

3、判断队列是否满

4、判断队列是否空

5、入队

6、出队

7、打印队列

8、队列的顺序表实现源码

四、队列的链表实现

1、数据结构定义

2、初始化创造队列

3、判断队列是否空

4、入队

5、出队

6、打印队列

7、队列的链表实现源码

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一、概念

1、队列的定义

  队列 是仅限在 一端 进行 插入，另一端 进行 删除 的 线性表。
  队列 又被称为 先进先出 （First In First Out） 的线性表，简称 FIFO 。

2、队首

  允许进行元素删除的一端称为 队首。如下图所示：

3、队尾

  允许进行元素插入的一端称为 队尾。如下图所示：

二、接口

1、可写接口

1）数据入队

  队列的插入操作，叫做 入队。它是将 数据元素 从 队尾 进行插入的过程，如图所示，表示的是 插入 两个数据（绿色 和 蓝色）的过程：

2）数据出队

  队列的删除操作，叫做 出队。它是将 队首 元素进行删除的过程，如图所示，表示的是 依次 删除 两个数据（红色 和 橙色）的过程：

3）清空队列

  队列的清空操作，就是一直 出队，直到队列为空的过程，当 队首 和 队尾 重合时，就代表队尾为空了，如图所示：

2、只读接口

1）获取队首数据

  对于一个队列来说只能获取 队首 数据，一般不支持获取 其它数据。

2）获取队列元素个数

  队列元素个数一般用一个额外变量存储，入队 时加一，出队 时减一。这样获取队列元素的时候就不需要遍历整个队列。通过 O(1) 的时间复杂度获取队列元素个数。

3）队列的判空

  当队列元素个数为零时，就是一个 空队，空队 不允许 出队 操作。

三、队列的顺序表实现

1、数据结构定义

对于顺序表，在 C语言 中表现为 数组，在进行 队列的定义 之前，我们需要考虑以下几个点：
  1）队列数据的存储方式，以及队列数据的数据类型；
  2）队列的大小；
  3）队首指针；
  4）队尾指针；

我们可以定义一个 队列 的 结构体，C语言实现如下所示：

#define MAXSIZE 10
typedef int datatype;

typedef struct seqqueue{
	datatype data[MAXSIZE];
	int front,rear;
}seq_queue,*seq_pqueue;

2、初始化创造队列

第一种无形参，C语言实现如下所示：

seq_pqueue init1_seqqueue(void)
{
	seq_pqueue q;
	q=(seq_pqueue)malloc(sizeof(seq_queue));
	if(q==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	q->front=q->rear=MAXSIZE-1;

	return q;
}

第二种有形参，C语言实现如下所示：

void init_seqqueue(seq_pqueue *Q)
{
	*Q=(seq_pqueue)malloc(sizeof(seq_queue));
	if((*Q)==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	(*Q)->front=(*Q)->rear=MAXSIZE-1;
	
	return;
}

3、判断队列是否满

C语言实现如下所示：

bool is_full_seqqueue(seq_pqueue q)
{
	if((q->rear+1)%MAXSIZE == q->front)
		return true;
	else
		return false;
}

4、判断队列是否空

C语言实现如下所示：

bool is_empty_seqqueue(seq_pqueue q)
{
	if(q->rear == q->front)
		return true;
	else
		return false;
}

5、入队

C语言实现如下所示：

bool in_seqqueue(datatype data,seq_pqueue q)
{
	//判断队列是否满
	if(is_full_seqqueue(q)){
		printf("队列已满!\n");
		return false;
	}

	//入队
	q->rear=(q->rear+1)%MAXSIZE;
	q->data[q->rear]=data;
	return true;
}

6、出队

C语言实现如下所示：

bool out_seqqueue(seq_pqueue q,datatype *D)
{
	//判断队列是否空
	if(is_empty_seqqueue(q)){
		printf("队列已空!\n");
		return false;
	}

	//出队
	q->front=(q->front+1)%MAXSIZE;
	*D=q->data[q->front];

	return true;
}

7、打印队列

C语言实现如下所示：

void show_seqqueue(seq_pqueue q)
{
	int i;
	if(is_empty_seqqueue(q))
		return;
	//非空时，从对头打印到队尾
	for(i=(q->front+1)%MAXSIZE;i!=(q->rear+1)%MAXSIZE;i=(i+1)%MAXSIZE)
	{
		printf("%d\t",q->data[i]);
	}
	printf("\n");
}

8、队列的顺序表实现源码

seqqueue.h

#ifndef __SEQQUEUE_H__
#define __SEQQUEUE_H__

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

#define MAXSIZE 10
typedef int datatype;

typedef struct seqqueue{
	datatype data[MAXSIZE];
	int front,rear;
}seq_queue,*seq_pqueue;

extern seq_pqueue init1_seqqueue(void);
extern void init_seqqueue(seq_pqueue *Q);
extern bool is_full_seqqueue(seq_pqueue q);
extern bool is_empty_seqqueue(seq_pqueue q);
extern bool in_seqqueue(datatype data,seq_pqueue q);
extern bool out_seqqueue(seq_pqueue q,datatype *D);
extern void show_seqqueue(seq_pqueue q);

#endif

seqqueue.c

#include "seqqueue.h"

seq_pqueue init1_seqqueue(void)
{
	seq_pqueue q;
	q=(seq_pqueue)malloc(sizeof(seq_queue));
	if(q==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	q->front=q->rear=MAXSIZE-1;

	return q;
}

void init_seqqueue(seq_pqueue *Q)
{
	*Q=(seq_pqueue)malloc(sizeof(seq_queue));
	if((*Q)==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	(*Q)->front=(*Q)->rear=MAXSIZE-1;
	
	return;
}

//判断队列是否满
bool is_full_seqqueue(seq_pqueue q)
{
	if((q->rear+1)%MAXSIZE == q->front)
		return true;
	else
		return false;
}

//入队
bool in_seqqueue(datatype data,seq_pqueue q)
{
	//判断队列是否满
	if(is_full_seqqueue(q)){
		printf("队列已满!\n");
		return false;
	}

	//入队
	q->rear=(q->rear+1)%MAXSIZE;
	q->data[q->rear]=data;
	return true;
}

//判断队列是否空
bool is_empty_seqqueue(seq_pqueue q)
{
	if(q->rear == q->front)
		return true;
	else
		return false;
}

//出队
bool out_seqqueue(seq_pqueue q,datatype *D)
{
	//判断队列是否空
	if(is_empty_seqqueue(q)){
		printf("队列已空!\n");
		return false;
	}

	//出队
	q->front=(q->front+1)%MAXSIZE;
	*D=q->data[q->front];

	return true;
}

void show_seqqueue(seq_pqueue q)
{
	int i;
	if(is_empty_seqqueue(q))
		return;
	//非空时，从对头打印到队尾
	for(i=(q->front+1)%MAXSIZE;i!=(q->rear+1)%MAXSIZE;i=(i+1)%MAXSIZE)
	{
		printf("%d\t",q->data[i]);
	}
	printf("\n");
}

test.c

#include "seqqueue.h"
/* 用循环队列实现如下功能：
 * 用户从键盘输入整数，程序将其入队;
 * 用户从键盘输入字母，程序将队头元素出队;
 * 并在每一次出队和入队之后打印队列元素。
 */
int main(int argc, const char *argv[])
{
	seq_pqueue q;
	datatype data,t,ret;
	
	init_seqqueue(&q);

	while(1)
	{
		printf("请输入一个整数或字符:");
		ret=scanf("%d",&data);
		
		//输入整数时，入队
		if(ret == 1)
		{
			if(in_seqqueue(data,q))
				show_seqqueue(q);
		}
		else
		{
			//输入为字符时
			if(out_seqqueue(q,&t))
			{
				printf("out:%d\n",t);
				show_seqqueue(q);
			}
			//清空输入缓冲区
			while(getchar()!='\n');
		}
	}
	return 0;
}

Makefile

CC = gcc
CFLAGS = -o0 -g -Wall

SRC=seqqueue.c test.c
OBJS=test

$(OBJS):$(SRC)
	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf $(OBJS) *.o

• "-o0"表示优化级别为0，即关闭优化。这将导致生成的可执行文件较大，但是可以方便地进行调试。
• "-g"表示生成调试信息，以便在调试程序时可以查看变量的值、函数的调用栈等信息。
• "-Wall"表示启用所有警告，编译器将会显示所有可能的警告信息，帮助开发人员发现潜在的问题。

编译结果测试:

四、队列的链表实现

1、数据结构定义

对于链表，在进行 队列的定义 之前，我们需要考虑以下几个点：
  1）队列数据的存储方式，以及队列数据的数据类型；
  2）队列的大小；
  3）队首指针；
  4）队尾指针；

我们可以定义一个 队列 的 结构体，C语言实现如下所示：

typedef int datatype;

typedef struct linkqueuenode{ 
	datatype data;                    /* 数据域 */
	struct linkqueuenode *next;       /* 指针域 */
}linkqueue_node,*linkqueue_pnode;

typedef struct linkqueue{
	linkqueue_pnode front,rear;       /* 链队列指针 */
}link_queue,*link_pqueue;

2、初始化创造队列

C语言实现如下所示：

void init_linkqueue(link_pqueue *Q)
{
	//申请front和rear的空间
	*Q=(link_pqueue)malloc(sizeof(link_queue));
	if((*Q)==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	//申请头结点空间
	(*Q)->front=(linkqueue_pnode)malloc(sizeof(linkqueue_node));
	if((*Q)->front==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1) ;
	}

	(*Q)->front->next=NULL;
	(*Q)->rear=(*Q)->front;

	return;
}

3、判断队列是否空

C语言实现如下所示：

bool is_empty_linkqueue(link_pqueue q)
{
	if(q->rear == q->front)
		return true;
	else
		return false;
}

4、入队

C语言实现如下所示：

bool in_linkqueue(datatype data,link_pqueue q)
{
	linkqueue_pnode  new;

	//申请数据结点空间
	new=(linkqueue_pnode)malloc(sizeof(linkqueue_node));
	if(new==NULL)
	{
		puts("入队失败！");
		return false;
	}
	//将数据存储在申请的空间
	new->data=data;
	
	//将new指向的结点插入到链式队列中
	new->next=q->rear->next;
	q->rear->next=new;
	
	//让rear指针指向新的队尾结点
	q->rear=q->rear->next;

	return true;
}

5、出队

C语言实现如下所示：

bool out_linkqueue(link_pqueue q,datatype *D)
{
	linkqueue_pnode t;
	//判断队列是否空
	if(is_empty_linkqueue(q)){
		printf("队列已空!\n");
		return false;
	}

	//出队
	t=q->front;
	q->front =q->front->next;
	*D=q->front->data;
	free(t);

	return true;
}

6、打印队列

C语言实现如下所示：

void show_linkqueue(link_pqueue q)
{
	linkqueue_pnode p;
	if(is_empty_linkqueue(q))
		return;
	//非空时，从对头打印到队尾
	for(p=q->front->next;p!=NULL;p=p->next)
	{
		printf("%d\t",p->data);
	}
	printf("\n");
}

7、队列的链表实现源码

linkqueue.h

#ifndef __LINKQUEUE_H__
#define __LINKQUEUE_H__

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

typedef int datatype;

typedef struct linkqueuenode{
	datatype data;
	struct linkqueuenode *next;
}linkqueue_node,*linkqueue_pnode;

typedef struct linkqueue{
	linkqueue_pnode front,rear;
}link_queue,*link_pqueue;

extern void init_linkqueue(link_pqueue *Q);
extern bool is_empty_linkqueue(link_pqueue q);
extern bool in_linkqueue(datatype data,link_pqueue q);
extern bool out_linkqueue(link_pqueue q,datatype *D);
extern void show_linkqueue(link_pqueue q);

#endif

linkqueue.c      

#include "linkqueue.h"

void init_linkqueue(link_pqueue *Q)
{
	//申请front和rear的空间
	*Q=(link_pqueue)malloc(sizeof(link_queue));
	if((*Q)==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	//申请头结点空间
	(*Q)->front=(linkqueue_pnode)malloc(sizeof(linkqueue_node));
	if((*Q)->front==NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1) ;
	}

	(*Q)->front->next=NULL;
	(*Q)->rear=(*Q)->front;

	return;
}

//入队
bool in_linkqueue(datatype data,link_pqueue q)
{
	linkqueue_pnode  new;

	//申请数据结点空间
	new=(linkqueue_pnode)malloc(sizeof(linkqueue_node));
	if(new==NULL)
	{
		puts("入队失败！");
		return false;
	}
	//将数据存储在申请的空间
	new->data=data;
	
	//将new指向的结点插入到链式队列中
	new->next=q->rear->next;
	q->rear->next=new;
	
	//让rear指针指向新的队尾结点
	q->rear=q->rear->next;

	return true;
}

bool is_empty_linkqueue(link_pqueue q)
{
	if(q->rear == q->front)
		return true;
	else
		return false;
}

//出队
bool out_linkqueue(link_pqueue q,datatype *D)
{
	linkqueue_pnode t;
	//判断队列是否空
	if(is_empty_linkqueue(q)){
		printf("队列已空!\n");
		return false;
	}

	//出队
	t=q->front;
	q->front =q->front->next;
	*D=q->front->data;
	free(t);

	return true;
}

void show_linkqueue(link_pqueue q)
{
	linkqueue_pnode p;
	if(is_empty_linkqueue(q))
		return;
	//非空时，从对头打印到队尾
	for(p=q->front->next;p!=NULL;p=p->next)
	{
		printf("%d\t",p->data);
	}
	printf("\n");
}

test.c

#include "linkqueue.h"
/* 用链式队列实现如下功能：
 * 用户从键盘输入整数，程序将其入对;
 * 用户从键盘输入字母，程序将队头元素出队;
 * 并在每一次出队和入队之后打印队列元素。
 */
int main(int argc, const char *argv[])
{
	link_pqueue q;
	datatype data,t,ret;
	
	init_linkqueue(&q);

	while(1)
	{
		printf("请输入一个整数或字符:");
		ret=scanf("%d",&data);
		
		//输入整数时，入对
		if(ret == 1)
		{
			if(in_linkqueue(data,q))
				show_linkqueue(q);
		}
		else
		{
			//输入为字符时
			if(out_linkqueue(q,&t))
			{
				printf("out:%d\n",t);
				show_linkqueue(q);
			}
			//清空输入缓冲区
			while(getchar()!='\n');
		}
	}
	return 0;
}

Makefile 

CC = gcc
CFLAGS = -o0 -g -Wall

SRC=linkqueue.c test.c
OBJS=test

$(OBJS):$(SRC)
	$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf $(OBJS) *.o

• "-o0"表示优化级别为0，即关闭优化。这将导致生成的可执行文件较大，但是可以方便地进行调试。
• "-g"表示生成调试信息，以便在调试程序时可以查看变量的值、函数的调用栈等信息。
• "-Wall"表示启用所有警告，编译器将会显示所有可能的警告信息，帮助开发人员发现潜在的问题。

编译结果测试: