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数据结构从入门到实战————队列

news 2025/10/3 11:29:56

前言

在计算机科学与数据结构领域，队列（Queue） 是一种重要的线性数据结构，遵循“先进先出”（First In, First Out, 简称 FIFO）的原则。作为抽象数据类型的一种典型实现，队列通过限制数据的插入和删除位置，构建了一个有序、公平的数据处理模型，广泛应用于需要按序执行的计算场景。

栈的基本功能：

先进先出（FIFO）操作：队列遵循“最先进入的元素最先被访问或移除”的原则，插入操作（Enqueue）在队尾进行，删除操作（Dequeue）在队头执行，确保数据按到达顺序处理。
高效的入队与出队：入队和出队操作的时间复杂度均为 O(1)，无需遍历或移动其他元素，适合高频率的数据流转场景。
队头访问支持：提供 Front 或 Peek 操作，可在不改变队列结构的前提下查看即将处理的元素，用于状态预判或条件控制。
动态容量扩展：基于循环数组或链表实现时，队列可动态调整容量，适应不确定规模的数据流入，避免内存浪费或溢出。
任务调度与缓冲能力：天然适用于管理待处理任务序列，如消息传递、打印任务排队、广度优先搜索（BFS）等需公平调度的场景。

综上所述，队列作为一种基础而高效的数据结构，以其严格的顺序性和简洁的操作接口，在系统设计与算法实现中发挥着关键作用。尽管其访问受限于两端操作，但正是这种特性使其在异步通信、资源调度和流程控制等领域表现出色。本文简要阐述了队列的核心机制与典型应用，旨在帮助读者掌握其基本原理。

正文开始

一、队列的概念以及结构

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。

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 定义队列的结构以及方法的声明

Queue.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{struct QueueNode* next;QDataType val;
}QNode;typedef struct Queue
{QNode* phead;QNode* ptail;int size;
}Que;//初始化
void QueueInit(Que* pq);
//销毁
void QueueDestroy(Que* pq);//队尾插入
void QueueInsert(Que* pq, QDataType x);
//队头删除
void QueueDelete(Que* pq);//取头数据
QDataType QueueFront(Que* pq);
//取队尾数据
QDataType QueueBack(Que* pq);//队列是否为空
bool QueueEmpty(Que* pq);//取队列节点的个数
int QueueSize(Que* pq);

2.2 队列的初始化

Queue.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"//初始化
void QueueInit(Que* pq)
{assert(pq);pq->phead = pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}

2.3 栈的销毁

//销毁
void QueueDestroy(Que* pq)
{assert(pq);QNode* pcur = pq->phead;while (pcur){QNode* next = pcur->next;free(pcur);pcur = next;}pq->phead = pq->ptail = NULL;pq->size = 0;
}

2.4 队尾插入节点

//队尾插入
void QueueInsert(Que* pq, QDataType x)
{assert(pq);//创建节点QNode* node = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (node == NULL){perror("malloc fail!");return;}node->val = x;node->next = NULL;//开始插入节点if (pq->phead == NULL){pq->phead = pq->ptail = node;}else{pq->ptail->next = node;pq->ptail = node;}pq->size++;
}

2.5 队头删除

//队头删除
void QueueDelete(Que* pq)
{assert(pq);assert(pq->size > 0);//要判断是否只有节点if (pq->phead == pq->ptail){free(pq->phead);pq->phead = pq->ptail = NULL;}else{QNode* next = pq->phead->next;free(pq->phead);pq->phead = next;}pq->size--;
}

2.6 取队头数据

//取头数据
QDataType QueueFront(Que* pq)
{assert(pq);assert(pq->size > 0);return pq->phead->val;
}

2.7 取队尾数据

//取队尾数据
QDataType QueueBack(Que* pq)
{assert(pq);assert(pq->size > 0);return pq->ptail->val;
}

2.7 判断队列是否为空

//队列是否为空
bool QueueEmpty(Que* pq)
{return pq->size == 0;
}

2.8 获取队列长度

//队列的数据个数
QDataType QueueSize(Que* pq)
{assert(pq);return pq->size;
}

测试结果如下：

test.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Queue.h"int main()
{Que q;QueueInit(&q);QueueInsert(&q, 1);QueueInsert(&q, 2);QueueInsert(&q, 3);QueueInsert(&q, 4);while (!QueueEmpty(&q)){printf("%d ", QueueFront(&q));QueueDelete(&q);}printf("\n");return 0;
}