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C语言中队列的结构和函数接口的使用示例

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一、队列的结构

队列:一种操作受限的线性表,只允许在线性表的一端进行插入,另一端进行删除,插入的一端称为队尾,删除的一端称为队头

通过 动态顺序表 的实现,可以发现在数组的头部进行插入删除操作时,需要移动数据,效率较低,因此不采用数组来实现队列

但通过 单链表 的实现,可以发现在对单链表进行头插时效率很高,而进行尾插时,需要找尾数据,较为麻烦,但是可以通过增加一个尾指针的方式来提升效率,因此用单链表的头尾指针来实现队列,结构如下:

//队列的元素类型
typedef int QueueDataType;
//队列的结点结构
typedef struct QueueNode
{
	QueueDataType data;
	struct QueueNode* next;
}QNode;
//队列结构,需要包含指向链表的头指针和尾指针
//为了求队列数据个数时,时间复杂度为 O(1),这里增加一个 size 变量
typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
	int size;
}Queue;

二、队列的函数接口

1. 初始化和销毁

初始化函数如下:

void QueueInit(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

链表的结点都是动态开辟的,不用队列时,应当销毁

销毁函数如下:

void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//从头结点开始销毁
	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		//保存下一个结点
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

2. 入队和出队

入队:在队尾插入元素

入队函数如下:

void QueuePush(Queue* pq, QueueDataType x)
{
	assert(pq);
	//创建新结点
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;
	//没有结点时,插入元素,需要改变队列的头尾指针
	//有结点时,直接链接在尾结点之后,tail 变成新的尾
	if (pq->tail == NULL)
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
	//插入元素后,数据个数需要自增
	pq->size++;
}

出队:删除队头元素

出队函数如下:

void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//没有元素时,不能删除,这里直接调用判空函数
	assert(!QueueEmpty(pq));
	//如果只有一个结点时,需要改变队列的头尾指针
	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
	//删除元素后,数据个数需要自减
	pq->size--;
}

3. 访问队头和队尾元素

访问队头元素函数如下:

QueueDataType QueueFront(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//没有元素时,不能取队头元素,这里直接调用判空函数
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;
}

访问队尾元素函数如下:

QueueDataType QueueBack(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	//没有元素时,不能取队尾元素,这里直接调用判空函数
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;
}

4. 判空和元素个数

判空函数如下:

bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size == 0;
}

元素个数函数如下:

size_t QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size;
}

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