C语言中队列的示例分析(c语言,开发技术)

一、队列（Queue）

0x00 队列的概念

???? 概念：

① 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。

② 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。

③ 队列中的元素遵循先进先出的原则，即 FIFO原则（First In First Out）

0x01 队列的结构

???? 结构：

二、队列的定义

0x00 链式队列

typedefintQueueDataType;//队列类型typedefstructQueueNode{structQueueNode*next;//指向下一个节点QueueDataTypedata;//数据}QueueNode;typedefstructQueue{QueueNode*pHead;//头指针QueueNode*pTail;//尾指针}Queue;

❓ 为什么不使用单链表？

???? 单链表我们只定义了一个指针指向头，没有定义尾指针。因为定义尾指针解决不了问题，比如尾插尾删。所以我们没有必要定义一个结构体把他们封到一起。这里我们再定义一个头指针 head 一个尾指针 tail，这两个指针才有意义。因为根据队列的性质，我们只会在队尾插，不会再队尾删。所以这个尾指针的价值就得到了完美的体现，实际中定义几个指针是看你的需求确定的。

0x02接口函数

???? 这是需要实现几个接口函数：

voidQueueInit(Queue*pQ);//队列初始化voidQueueDestroy(Queue*pQ);//销毁队列boolQueueIsEmpty(Queue*pQ);//判断队列是否为空voidQueuePush(Queue*pQ,QueueDataTypex);//入队voidQueuePop(Queue*pQ);//出队QueueDataTypeQueueFront(Queue*pQ);//返回队头数据QueueDataTypeQueueBack(Queue*pQ);//返回队尾数据intQueueSize(Queue*pQ);//求队列大小

三、队列的实现

0x00 队列初始化（QueueInit）

???? Queue.h

#pragmaonce#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<assert.h>#include<stdbool.h>typedefintQueueDataType;//队列类型typedefstructQueueNode{structQueueNode*next;//指向下一个节点QueueDataTypedata;//数据}QueueNode;typedefstructQueue{QueueNode*pHead;//头指针QueueNode*pTail;//尾指针}Queue;voidQueueInit(Queue*pQ);//队列初始化

???? Queue.c

/*队列初始化：将头尾指针置为NULL*/voidQueueInit(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空pQ->pHead=pQ->pTail=NULL;//将头尾指针置空}

???? 解析：首先使用断言防止传入的pQ为空。初始化只需要把头指针和尾指针都置成空即可。

0x01 销毁队列（QueueDestroy）

/*销毁队列：free掉所有队列元素并将头尾置空*/voidQueueDestroy(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空QueueNode*cur=pQ->pHead;//创建遍历指针curwhile(cur!=NULL){//cur不为空就进入循环QueueNode*curNext=cur->next;//信标指针curNext，防止释放cur后找不到其下一个节点free(cur);//释放cur当前指向的节点cur=curNext;//移动指针cur}pQ->pHead=pQ->pTail=NULL;//置空干掉野指针}

???? 解读：

① 首先断言防止传入的pQ为空。

② 销毁要把所有节点都释放掉，我们创建遍历指针 cur 遍历整个队列。既然要释放 cur 指向的节点，为了防止释放 cur 之后找不到其下一个节点导致无法移动，我们这里创建一个类似于信标性质的指针 curNext 来记录一下 cur 的下一个节点，之后再 free 掉 cur，这样就可以移动 cur 了。

③ 最后为了防止野指针，还需要把头指针和尾指针都置为空。

0x02 判断队列是否为空（HeapIsEmpty）

???? Queue.h

boolQueueIsEmpty(Queue*pQ);//判断队列是否为空

???? 解读：布尔值，返回 true 或 false

???? Queue.c

/*判断队列是否为空*/boolQueueIsEmpty(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空returnpQ->pHead==NULL;//如果成立则为True，不成立则为False}

???? 解读：

① 首先断言防止传入的pQ为空。

② 判断队列是否为空，可以直接返回，巧妙地利用布尔类型的特性。如果 pQ->pHead == NULL 成立则为真，会返回 true；不成立则为假，会返回 false。

0x03 入队（QueuePush）

???? Queue.h

voidQueuePush(Queue*pQ,QueueDataTypex);//入队

???? Queue.c

/*入队：队尾入数据，对头出数据。如果是第一个入队的则既要当头又当尾*/voidQueuePush(Queue*pQ,QueueDataTypex){assert(pQ);//防止传入的pQ为空/*创建新节点：创建一个大小为QueueNode的空间*/QueueNode*new_node=(QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));/*检查malloc*/if(new_node==NULL){printf("mallocfailed!\n");exit(-1);}/*放置*/new_node->data=x;//待插入的数据new_node->next=NULL;//默认为空/*入队：*【思路草图】*情况1：队列为空：既当头又当尾*[new_node]*↑↑*pHeadpTail**情况2：队列不为空：队尾入数据*[]->[]->[]->[]->[new_node]*pHeadpTailpTail->next*↓↑*----------→pTail（更新尾指针）*/if(pQ->pHead==NULL){//情况1:队列为空pQ->pHead=pQ->pTail=new_node;//既当头又当尾}else{//情况2:队列不为空pQ->pTail->next=new_node;//在现有尾的后一个节点放置new_nodepQ->pTail=new_node;//更新pTail，使它指向新的尾}}

???? 解读：

① 首先断言防止传入的pQ为空。

② 我们首先要创建新节点。通过 malloc 动态内存开辟一块 QueueNode 大小的空间，都学到这里了大家想必都养成了检查 malloc 的好习惯了吧？。最后放置数据吗，将待插入的数据 x 交给 data，next 默认置空，和之前学链表一样，这里就不过多赘述了。

③ 新节点创建好后，我们可以开始写入队的操作了。首先要理解队列的性质：队尾入数据，队头出数据。这里既然是入队，就要在对尾后面进行插入。这里我们还要考虑到如果队列为空的情况，这时我们要把头指针和尾指针都交付给 new_node 。为了理清思路，我们可以画一个思路草图来帮助我们更好地理解：

有了这个图，我们就可以清楚地实现了：

if(pQ->pHead==NULL){//情况1:队列为空pQ->pHead=pQ->pTail=new_node;//既当头又当尾}else{//情况2:队列不为空pQ->pTail->next=new_node;//在现有尾的后一个节点放置new_nodepQ->pTail=new_node;//更新pTail，使它指向新的尾}

当队列为空时，令头指针和尾指针都指向 new_node ，当队列不为空时，再尾部地下一个节点放置 new_node，随后再更新尾指针让其指向新的尾（new_node 的位置）。

0x04 出队（QueuePop）

???? Queue.h

voidQueuePop(Queue*pQ);//出队

???? Queue.c

/*出队：队尾入数据，对头出数据*/voidQueuePop(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空assert(!QueueIsEmpty(pQ));//防止队列为空/*出队:*【思路草图】*[free]->[]->[]->[]*pHeadheadNext*↓↑*-------→pHead（更新头指针）*/QueueNode*headNext=pQ->pHead->next;//信标指针HeadNextfree(pQ->pHead);pQ->pHead=headNext;//更新头/*如果队内都被删完了，不处理pTail就会带来野指针的隐患*【思路草图】*NULL已经被free掉的内存！*↑↑（野指针警告）*pHead(因为HeadNext是NULL)pTail*/if(pQ->pHead==NULL)//如果pHead为空pQ->pTail=NULL;//处理一下尾指针，将尾指针置空}

???? 解读：

① 首先断言防止传入的 pQ 为空，这里还要放置队列为空，如果队列为空还要求出队的话会出问题的，所以这里要断言一下 QueueIsEmpty 为假。

② 思路草图如下：

出数据需要释放，和销毁一样，这里使用一个类似于信标性质的指针来记录 pHead 的下一个节点，之后我们就可以大胆地释放 pHead 而不用担心找不到了。free 掉之后更新头即可，令头指针指向 headNext 即可。

???? 注意：这里还要考虑一个问题，如果队内都被删完了，pHead 往后走指向空，但是 pTail 仍然指向那块已经被 free 掉的空间。pTail 就是一个典型的野指针。

我们可以不用担心 pHead，因为后面没有数据他会自然指向 NULL，但是我们这里得关注 pTail ！我们需要手动处理一下它：

如果 pHead 为空，我们就把 pTail 也置为空即可。

if(pQ->pHead==NULL)//如果pHead为空pQ->pTail=NULL;//处理一下尾指针，将尾指针置空

0x05返回队头数据（QueueFront）

???? Queue.h

QueueDataTypeQueueFront(Queue*pQ);//返回队头数据

???? Queue.c

/*返回队头数据*/QueueDataTypeQueueFront(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空assert(!QueueIsEmpty(pQ));//防止队列为空returnpQ->pHead->data;}

???? 解读：

① 首先断言防止传入的 pQ 为空，这里我们还是要断言一下 QueueIsEmpty 为假，因为如果队内没有数据，还返回个锤子数据呢。

② 这里直接返回头的数据即可，特别简单没有什么好讲的。

0x06返回队尾数据（QueueBack）

???? Queue.h

QueueDataTypeQueueBack(Queue*pQ);//返回队尾数据

???? Queue.c

/*返回队尾数据*/QueueDataTypeQueueBack(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空assert(!QueueIsEmpty(pQ));//防止队列为空returnpQ->pTail->data;}

???? 解读：

① 首先断言防止传入的 pQ 为空，断言一下 QueueIsEmpty 为假。

② 这里直接返回队尾的数据即可。

0x07求队列大小（QueueSize）

???? Queue.h

intQueueSize(Queue*pQ);//求队列大小

???? Queue.c

/*求队列大小：计数器法*/intQueueSize(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空intcount=0;//计数器QueueNode*cur=pQ->pHead;//创建遍历指针curwhile(cur!=NULL){++count;//计数+1cur=cur->next;//移动指针cur}returncount;}

???? 解读：这里我们采用计数器法来求大小即可，调用一次就是 O(N)，也没什么不好的。

① 首先断言防止传入的 pQ 为空。

② 创建计数器变量和遍历指针 cur，遍历整个队列并计数，最后返回计数的结果即可。

0x08 完整代码

???? Queue.h

#pragmaonce#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<assert.h>#include<stdbool.h>typedefintQueueDataType;//队列类型typedefstructQueueNode{structQueueNode*next;//指向下一个节点QueueDataTypedata;//数据}QueueNode;typedefstructQueue{QueueNode*pHead;//头指针QueueNode*pTail;//尾指针}Queue;voidQueueInit(Queue*pQ);//队列初始化voidQueueDestroy(Queue*pQ);//销毁队列boolQueueIsEmpty(Queue*pQ);//判断队列是否为空voidQueuePush(Queue*pQ,QueueDataTypex);//入队voidQueuePop(Queue*pQ);//出队QueueDataTypeQueueFront(Queue*pQ);//返回队头数据QueueDataTypeQueueBack(Queue*pQ);//返回队尾数据intQueueSize(Queue*pQ);//求队列大小

???? Queue.c

#include<Queue.h>/*队列初始化：将头尾指针置为NULL*/voidQueueInit(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空pQ->pHead=pQ->pTail=NULL;//将头尾指针置空}/*销毁队列：free掉所有队列元素并将头尾置空*/voidQueueDestroy(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空QueueNode*cur=pQ->pHead;//创建遍历指针curwhile(cur!=NULL){//cur不为空就进入循环QueueNode*curNext=cur->next;//信标指针curNext，防止释放cur后找不到其下一个节点free(cur);//释放cur当前指向的节点cur=curNext;//移动指针cur}pQ->pHead=pQ->pTail=NULL;//置空干掉野指针}/*判断队列是否为空*/boolQueueIfEmpty(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空returnpQ->pHead==NULL;//如果成立则为True，不成立则为False}/*入队：队尾入数据，对头出数据。如果是第一个入队的则既要当头又当尾*/voidQueuePush(Queue*pQ,QueueDataTypex){assert(pQ);//防止传入的pQ为空/*创建新节点：创建一个大小为QueueNode的空间*/QueueNode*new_node=(QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));/*检查malloc*/if(new_node==NULL){printf("mallocfailed!\n");exit(-1);}/*放置*/new_node->data=x;//待插入的数据new_node->next=NULL;//默认为空/*入队：*【思路草图】*情况1：队列为空：既当头又当尾*[new_node]*↑↑*pHeadpTail**情况2：队列不为空：队尾入数据*[]->[]->[]->[]->[new_node]*pHeadpTailpTail->next*↓↑*----------→pTail（更新尾指针）*/if(pQ->pHead==NULL){//情况1:队列为空pQ->pHead=pQ->pTail=new_node;//既当头又当尾}else{//情况2:队列不为空pQ->pTail->next=new_node;//在现有尾的后一个节点放置new_nodepQ->pTail=new_node;//更新pTail，使它指向新的尾}}/*出队：队尾入数据，对头出数据*/voidQueuePop(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空assert(!QueueIsEmpty(pQ));//防止队列为空/*出队:*【思路草图】*[free]->[]->[]->[]*pHeadheadNext*↓↑*-------→pHead（更新头指针）*/QueueNode*headNext=pQ->pHead->next;//信标指针HeadNext，防止释放pHead后找不到其下一个节点free(pQ->pHead);pQ->pHead=headNext;//更新头/*如果队内都被删完了，不处理pTail就会带来野指针的隐患*【思路草图】*NULL已经被free掉的空间！*↑↑（野指针）*pHead(因为HeadNext是NULL)pTail*/if(pQ->pHead==NULL)//如果pHead为空pQ->pTail=NULL;//处理一下尾指针，将尾指针置空}/*返回队头数据*/QueueDataTypeQueueFront(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空assert(!QueueIsEmpty(pQ));//防止队列为空returnpQ->pHead->data;}/*返回队尾数据*/QueueDataTypeQueueBack(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空assert(!QueueIsEmpty(pQ));//防止队列为空returnpQ->pTail->data;}/*求队列大小：计数器法*/intQueueSize(Queue*pQ){assert(pQ);//防止传入的pQ为空intcount=0;//计数器QueueNode*cur=pQ->pHead;//创建遍历指针curwhile(cur!=NULL){++count;//计数+1cur=cur->next;//移动指针cur}returncount;}

???? Test.c

#include"Queue.h"voidTestQueue1(){Queueq;QueueInit(&q);QueuePush(&q,1);QueuePush(&q,2);QueuePush(&q,3);QueuePush(&q,4);QueuePop(&q);QueuePop(&q);QueuePop(&q);QueuePop(&q);//QueuePop(&q);QueueDestroy(&q);}voidTestQueue2(){Queueq;QueueInit(&q);QueuePush(&q,1);QueuePush(&q,2);QueuePush(&q,3);QueuePush(&q,4);//假设先入了12，让1出来，再继续入，它的顺序还是不会变。//永远保持先进先出的，无论是入了两个出两个，再入再出，还是全部入完了再出，都是不会变的。这就是队列的性质while(!QueueIsEmpty(&q)){QueueDataTypefront=QueueFront(&q);printf("%d",front);QueuePop(&q);//pop掉去下一个}printf("\n");QueueDestroy(&q);}intmain(void){TestQueue2();return0;}