【数据结构】队列详解(Queue)

有关队列的概念

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

联想一下链表，在单链表中，只能对表尾进行插入，对表头进行结点的删除，这样强限制性的链表，就是所说的队列。也就是说，队列是限定在表的一端进行插入，表的另一端进行删除的数据结构。

如图去买票排队，每一列队伍都有一个队尾和队首，先来的先买票，后来的后买，买好的就从队首出去，新来买票的就需要从队尾继续排队。

1.结构

队列由两部分组成——队头（front）和队尾（rear）。队头是队列中允许删除元素的一端，而队尾是允许添加元素的一端。

队列是一个线性的数据结构，并且这个数据结构只允许在一端进行插入，另一端进行删除，禁止直接访问除这两端以外的一切数据，且队列是一个先进先出的数据结构。
就比如下图

队列存储结构的实现有以下两种方式：
①顺序队列：在顺序表的基础上实现的队列结构。
②链队列：在链表的基础上实现的队列结构。

两者的区别仅是顺序表和链表的区别，即在实际的物理空间中，数据集中存储的队列是顺序队列，分散存储的队列是链队列。

队列的结点设计及初始化

队列只有链式的设计方法，其本身分为多种队列，如顺序队列和循环队列，还有衍生的优先队列等等，以顺序队列的设计为例。

结点设计
首先是队列的结点设计，可以设计出两个结构体，一个结构体 Node 表示结点，其中包含有 data 域和 next 指针，如图：

其中 data 表示数据，其可以是简单的类型，也可以是复杂的结构体。next 指针表示，下一个的指针，其指向下一个结点，通过 next 指针将各个结点链接。

结构体设计
然后再添加一个结构体，其包括了两个分别永远指向队列的队尾和队首的指针，看到这里是不是觉得和栈很像？

主要的操作只对这两个指针进行操作。为使后续操作更加方便，我们不妨再多设置一个用来计数的成员，如图所示：

其结构体设计的代码可以表示为：

typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType val;
}QNode;

typedef struct Queue
{
	QNode* phead;
	QNode* ptail;
	int size;
}Queue;

队列的销毁判空和计数

这块区域较简单，仅销毁区域需要注意将每个节点依次释放，避免内存泄漏

这部分代码可以表示为

//销毁
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->phead;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->phead = pq->ptail = NULL;
	pq->size = 0;
}
int QueueSize(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size;
}
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size == 0;
}

入队操作

进行入队操作的时候，同样的，首先需要判断队列是否为空，如果队列为空的话，需要将头指针和尾指针一同指向第一个结点，代码如下：

void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);

	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc newnode fail");
	}
	newnode->val = x;
	newnode->next = NULL;

	if (pq->ptail == NULL)
	{
		pq->phead = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	else
	{
		pq->ptail->next = newnode;
		pq->ptail = newnode;
	}
	pq->size++;	
}

出队操作

出队(pop)操作，是指在队列不为空的情况下进行的一个判断，当然在此也一定要进行队列判空的操。

如图，如果队列只有一个元素了，也就是说头尾指针均指向了同一个结点，那么直接将头尾两指针置空，并释放这一个结点即可，代码如下：

// 队头删除
void QueuePop(Queue* pq)
{
	assert(pq);
	assert(pq->size != 0);

	if (pq->size == 1)
	{
		free(pq->phead);
		pq->phead = pq->ptail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->phead->next;
		free(pq->phead);
		pq->phead = next;
	}
	pq->size--;
}