数据结构：用链表实现队列（Implementing Queue Using List）
目录
第一性原理：为什么需要链表？
设计链表的节点和队列结构
1. 积木：节点 (Node)
2. 蓝图：队列的结构 (Queue)
第2步：队列的诞生与状态检查
创建一个空队列
判断队列是否为空
第3步：核心操作 (入队与出队)
入队 (Enqueue)
出队 (Dequeue)
第4步：善后工作 (销毁队列)
我们再次从第一性原理出发，承接上文，这次我们来探讨如何用链表来实现一个队列。我们同样会一步步分析，发现问题，并逐步完善代码。
数据结构：队列（Queue）与循环队列（Circular Queue）-CSDN博客
第一性原理：为什么需要链表？
我们已经知道，基于数组的循环队列有一个天生的“缺陷”：容量固定。
在创建队列时，我们必须预先指定其最大容量。如果业务需求变化，元素数量可能远超预期，队列就会“溢出”；如果预估过大，则会浪费内存。
如何解决这个问题？我们需要一个“用多少，拿多少”的动态结构。这正是链表的拿手好戏。
我们需要一个数据结构，能够高效地（时间复杂度 O(1)）在头部移除元素，并在尾部添加元素。
设计链表的节点和队列结构
链表是由一个个“节点”串联起来的。所以，我们首先需要设计这个最基本的“积木”。
1. 积木：节点 (Node)
一个节点需要包含什么信息？
-
数据本身 (
int data) -
指向下一个节点的指针 (
struct Node* next)，这是把它“链接”起来的关键。
【代码实现 1：节点结构体定义】
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 链表节点，是构成我们队列的基本单元
typedef struct Node {int data;struct Node* next;
} Node;2. 蓝图：队列的结构 (Queue)
如何用链表来组织，才能满足 O(1) 的头删和尾增？
如果我们有一个指针指向链表的头节点，我们称之为 front。
那么删除头节点的操作就是把 front 指向 front->next，这本身是 O(1) 的。
-
从头部删除 (Dequeue):
-
在尾部添加 (Enqueue):
如果我们只有一个 front 指针，为了找到尾部，我们必须从头遍历整个链表，时间复杂度是 O(N)，这太慢了，不符合我们的要求。
为了实现 O(1) 的尾部添加，我们必须始终保留一个直接指向尾节点的指针。我们称之为 rear。
因此，我们的队列结构需要两个指针：一个指向头，一个指向尾。
【代码实现 2：链式队列结构体定义】
// 链式队列的蓝图
typedef struct {Node* front; // 指向队头节点Node* rear; // 指向队尾节点
} LinkedQueue;这个结构比数组实现更简洁，因为它不需要关心容量和下标。
第2步：队列的诞生与状态检查
创建一个空队列
一个空的链式队列是什么样的？它没有任何节点。因此，它的 front 和 rear 指针都应该指向 NULL。
【代码实现 3：创建队列函数】
// 功能：创建一个空的链式队列
LinkedQueue* createLinkedQueue() {// 1. 为队列结构体本身分配内存LinkedQueue* q = (LinkedQueue*)malloc(sizeof(LinkedQueue));if (!q) {perror("Failed to allocate memory for LinkedQueue");return NULL;}// 2. 初始化，空队列的头尾指针都为 NULLq->front = NULL;q->rear = NULL;return q;
}判断队列是否为空
这比数组实现简单得多。只要 front 指针是 NULL，队列就是空的。
【代码实现 4：判空函数】
// 功能：判断队列是否为空
int isLinkedQueueEmpty(LinkedQueue* q) {// 如果 front 为 NULL，队列必为空return q->front == NULL;
}注意：链式队列理论上没有“满”的状态（除非整个计算机的内存耗尽），所以我们不需要
isFull函数。
第3步：核心操作 (入队与出队)
这是链式队列最关键的部分，包含了一些必须小心处理的“边界情况”。
入队 (Enqueue)
向队尾添加一个元素 value。
-
创建新节点：无论如何，我们都需要先根据
value创建一个新的节点。 -
处理边界情况：如果当前队列是空的 (
front是NULL)，那么这个新节点既是队头也是队尾。所以front和rear都应该指向这个新节点。 -
处理通用情况：如果队列不为空，我们只需做两件事：
a. 让当前的队尾节点（q->rear）的 next 指针指向新节点。
b. 更新队尾指针 q->rear，让它指向这个新节点。
【代码实现 5：入队函数】
// 功能：将元素 value 加入队尾
void enqueueLinked(LinkedQueue* q, int value) {// 1. 无论如何，都先创建新节点Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));if (!newNode) {perror("Failed to allocate memory for new node");return;}newNode->data = value;newNode->next = NULL; // 新节点总是被加在最后，所以它的 next 永远是 NULL// 2. 处理队列为空的特殊情况if (isLinkedQueueEmpty(q)) {q->front = newNode;q->rear = newNode;} else {// 3. 通用情况：将新节点链接到队尾，并更新队尾指针q->rear->next = newNode;q->rear = newNode;}
}出队 (Dequeue)
从队头取出一个元素。
-
检查：队列是否为空？空则无法出队。
-
获取数据：要返回的数据在
front指针指向的节点里。 -
移动指针：将
front指针移动到下一个节点 (q->front = q->front->next)。 -
释放内存：原来的头节点已经“游离”出队列了，必须用
free释放它的内存。 -
处理最关键的边界情况：
如果出队的是队列中最后一个元素，那么在移动 front 指针后，front 会变为 NULL。
此时队列变空，但 rear 指针还指向刚刚被释放的那个无效内存地址！
这非常危险。我们必须在这种情况下，同时将 rear 指针也设置为 NULL。
【代码实现 6：出队函数】
// 功能：从队头取出一个元素，并通过指针 pValue 返回
int dequeueLinked(LinkedQueue* q, int* pValue) {// 1. 检查是否为空if (isLinkedQueueEmpty(q)) {printf("出队失败：队列为空。\n");return 0; // 失败}// 为了稍后释放，临时保存旧的头节点Node* temp = q->front;// 2. 获取数据*pValue = temp->data;// 3. 移动 front 指针到下一个节点q->front = q->front->next;// 4. 处理最关键的边界：如果出队后队列变空了if (q->front == NULL) {// 必须同时更新 rear 指针，否则 rear 会成为一个危险的“野指针”q->rear = NULL;}// 5. 释放旧的头节点内存free(temp);return 1; // 成功
}第4步：善后工作 (销毁队列)
销毁整个队列意味着要释放所有节点的内存，以及队列结构体本身的内存。
最简单的方法是利用我们已经写好的 dequeueLinked 函数。
【代码实现 7：销毁函数】
// 功能：销毁整个队列，释放所有内存
void destroyLinkedQueue(LinkedQueue* q) {int dummyValue; // 用于接收出队元素，我们不关心它的值// 不断地从队列中取出元素，直到队列为空// dequeueLinked 函数会自动释放每个节点的内存while (!isLinkedQueueEmpty(q)) {dequeueLinked(q, &dummyValue);}// 最后，释放队列结构体本身的内存free(q);
}通过以上步骤，我们从链表的基本特性出发，推导出了需要 front 和 rear 两个指针来满足性能要求，并细致地处理了入队和出队时的各种边界情况，最终构建了一个功能完整、健壮的链式队列。