这篇文章将为大家详细讲解有关C语言中队列的示例分析,小编觉得挺实用的,因此分享给大家做个参考,希望大家阅读完这篇文章后可以有所收获。
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
typedef int QueueDataType; //队列类型 typedef struct QueueNode { struct QueueNode* next; //指向下一个节点 QueueDataType data; //数据} QueueNode; typedef struct Queue { 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:
void QueueInit(Queue* pQ); //队列初始化void QueueDestroy(Queue* pQ); //销毁队列bool QueueIsEmpty(Queue* pQ); //判断队列是否为空void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x); //入队void QueuePop(Queue* pQ); //出队QueueDataType QueueFront(Queue* pQ); //返回队头数据QueueDataType QueueBack(Queue* pQ); //返回队尾数据int QueueSize(Queue* pQ); //求队列大小
三、队列的实现
0x00 队列初始化(QueueInit)
???? Queue.h
#pragma once#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <assert.h>#include <stdbool.h> typedef int QueueDataType; //队列类型 typedef struct QueueNode { struct QueueNode* next; //指向下一个节点 QueueDataType data; //数据} QueueNode; typedef struct Queue { QueueNode* pHead; //头指针 QueueNode* pTail; //尾指针} Queue; void QueueInit(Queue* pQ); //队列初始化
???? Queue.c
void QueueInit(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)
void QueueDestroy(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 QueueNode* cur = pQ->pHead; //创建遍历指针cur while(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
bool QueueIsEmpty(Queue* pQ); //判断队列是否为空
???? 解读:布尔值,返回 true 或 false
???? Queue.c
bool QueueIsEmpty(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 return pQ->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
void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x); //入队
???? Queue.c
void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 QueueNode* new_node = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode)); if(new_node == NULL) { printf("malloc failed!\n"); exit(-1); } new_node->data = x; //待插入的数据 new_node->next = NULL; //默认为空 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_node pQ->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_node pQ->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
void QueuePop(Queue* pQ); //出队
???? Queue.c
void QueuePop(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止队列为空 QueueNode* headNext = pQ->pHead->next; //信标指针HeadNext free(pQ->pHead); pQ->pHead = headNext; //更新头 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
QueueDataType QueueFront(Queue* pQ); //返回队头数据
???? Queue.c
QueueDataType QueueFront(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止队列为空 return pQ->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
QueueDataType QueueBack(Queue* pQ); //返回队尾数据
???? Queue.c
QueueDataType QueueBack(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止队列为空 return pQ->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
int QueueSize(Queue* pQ); //求队列大小
???? Queue.c
int QueueSize(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 int count = 0; //计数器 QueueNode* cur = pQ->pHead; //创建遍历指针cur while(cur != NULL) { ++count; //计数+1 cur = cur->next; //移动指针cur } return count;}
???? 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
#pragma once#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <assert.h>#include <stdbool.h> typedef int QueueDataType; //队列类型 typedef struct QueueNode { struct QueueNode* next; //指向下一个节点 QueueDataType data; //数据} QueueNode; typedef struct Queue { QueueNode* pHead; //头指针 QueueNode* pTail; //尾指针} Queue; void QueueInit(Queue* pQ); //队列初始化void QueueDestroy(Queue* pQ); //销毁队列bool QueueIsEmpty(Queue* pQ); //判断队列是否为空void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x); //入队void QueuePop(Queue* pQ); //出队QueueDataType QueueFront(Queue* pQ); //返回队头数据QueueDataType QueueBack(Queue* pQ); //返回队尾数据int QueueSize(Queue* pQ); //求队列大小
???? Queue.c
#include <Queue.h> void QueueInit(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 pQ->pHead = pQ->pTail = NULL; //将头尾指针置空} void QueueDestroy(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 QueueNode* cur = pQ->pHead; //创建遍历指针cur while(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} bool QueueIfEmpty(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 return pQ->pHead == NULL; //如果成立则为True,不成立则为False} void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 QueueNode* new_node = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode)); if(new_node == NULL) { printf("malloc failed!\n"); exit(-1); } new_node->data = x; //待插入的数据 new_node->next = NULL; //默认为空 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_node pQ->pTail = new_node; // 更新pTail,使它指向新的尾 }} void QueuePop(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止队列为空 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 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} QueueDataType QueueFront(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止队列为空 return pQ->pHead->data;} QueueDataType QueueBack(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止队列为空 return pQ->pTail->data;} int QueueSize(Queue* pQ) { assert(pQ); //防止传入的pQ为空 int count = 0; //计数器 QueueNode* cur = pQ->pHead; //创建遍历指针cur while(cur != NULL) { ++count; //计数+1 cur = cur->next; //移动指针cur } return count;}
???? Test.c
#include "Queue.h" void TestQueue1() { Queue q; 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);} void TestQueue2() { Queue q; QueueInit(&q); QueuePush(&q, 1); QueuePush(&q, 2); QueuePush(&q, 3); QueuePush(&q, 4); //假设先入了1 2,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)) { QueueDataType front = QueueFront(&q); printf("%d ", front); QueuePop(&q); //pop掉去下一个 } printf("\n"); QueueDestroy(&q);} int main(void) { TestQueue2(); return 0;}
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