C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)系列隊(duì)列篇
一、隊(duì)列（Queue）
0x00 隊(duì)列的概念
?? 概念：
① 隊(duì)列只允許在一端進(jìn)行插入數(shù)據(jù)操作，在另一端進(jìn)行刪除數(shù)據(jù)操作的特殊線性表。
② 入隊(duì)列，進(jìn)行插入操作的一端稱為 隊(duì)尾。出隊(duì)列，進(jìn)行刪除操作的一端稱為 隊(duì)頭。
③ 隊(duì)列中的元素遵循先進(jìn)先出的原則，即 FIFO?原則（First In First Out）
0x01 隊(duì)列的結(jié)構(gòu)
?? 結(jié)構(gòu)：
二、隊(duì)列的定義
0x00 鏈?zhǔn)疥?duì)列
typedef int QueueDataType; //隊(duì)列類型
typedef struct QueueNode {
struct QueueNode* next; //指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
QueueDataType data; //數(shù)據(jù)
} QueueNode;
typedef struct Queue {
QueueNode* pHead; //頭指針
QueueNode* pTail; //尾指針
} Queue;
? 為什么不使用單鏈表？
?? 單鏈表我們只定義了一個(gè)指針指向頭，沒(méi)有定義尾指針。因?yàn)槎x尾指針解決不了問(wèn)題，比如尾插尾刪。所以我們沒(méi)有必要定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體把他們封到一起。這里我們?cè)俣x一個(gè)頭指針 head 一個(gè)尾指針 tail?，這兩個(gè)指針才有意義。因?yàn)楦鶕?jù)隊(duì)列的性質(zhì)，我們只會(huì)在隊(duì)尾插，不會(huì)再隊(duì)尾刪。所以這個(gè)尾指針的價(jià)值就得到了完美的體現(xiàn)，實(shí)際中定義幾個(gè)指針是看你的需求確定的。
0x02?接口函數(shù)
?? 這是需要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)接口函數(shù)：
void QueueInit(Queue* pQ); //隊(duì)列初始化 void QueueDestroy(Queue* pQ); //銷毀隊(duì)列 bool QueueIsEmpty(Queue* pQ); //判斷隊(duì)列是否為空 void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x); //入隊(duì) void QueuePop(Queue* pQ); //出隊(duì) QueueDataType QueueFront(Queue* pQ); //返回隊(duì)頭數(shù)據(jù) QueueDataType QueueBack(Queue* pQ); //返回隊(duì)尾數(shù)據(jù) int QueueSize(Queue* pQ); //求隊(duì)列大小
三、隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)
0x00 隊(duì)列初始化（QueueInit）
?? Queue.h
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef int QueueDataType; //隊(duì)列類型
typedef struct QueueNode {
struct QueueNode* next; //指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
QueueDataType data; //數(shù)據(jù)
} QueueNode;
typedef struct Queue {
QueueNode* pHead; //頭指針
QueueNode* pTail; //尾指針
} Queue;
void QueueInit(Queue* pQ); //隊(duì)列初始化
?? Queue.c
/* 隊(duì)列初始化：將頭尾指針置為NULL */
void QueueInit(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
pQ->pHead = pQ->pTail = NULL; //將頭尾指針置空
}
?? 解析：首先使用斷言防止傳入的pQ為空。初始化只需要把頭指針和尾指針都置成空即可。
0x01 銷毀隊(duì)列（QueueDestroy）
/* 銷毀隊(duì)列：free掉所有隊(duì)列元素并將頭尾置空 */
void QueueDestroy(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
QueueNode* cur = pQ->pHead; //創(chuàng)建遍歷指針cur
while(cur != NULL) { //cur不為空就進(jìn)入循環(huán)
QueueNode* curNext = cur->next; //信標(biāo)指針curNext，防止釋放cur后找不到其下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
free(cur); //釋放cur當(dāng)前指向的節(jié)點(diǎn)
cur = curNext; //移動(dòng)指針cur
}
pQ->pHead = pQ->pTail = NULL; //置空干掉野指針
}
?? 解讀：
① 首先斷言防止傳入的pQ為空。
② 銷毀要把所有節(jié)點(diǎn)都釋放掉，我們創(chuàng)建遍歷指針 cur 遍歷整個(gè)隊(duì)列。既然要釋放 cur 指向的節(jié)點(diǎn)，為了防止釋放 cur 之后找不到其下一個(gè)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致無(wú)法移動(dòng)，我們這里創(chuàng)建一個(gè)類似于信標(biāo)性質(zhì)的指針 curNext 來(lái)記錄一下 cur 的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，之后再 free 掉 cur，這樣就可以移動(dòng) cur 了。
③ 最后為了防止野指針，還需要把頭指針和尾指針都置為空。
0x02 判斷隊(duì)列是否為空（HeapIsEmpty）
?? Queue.h
bool QueueIsEmpty(Queue* pQ); //判斷隊(duì)列是否為空
?? 解讀：布爾值，返回 true 或 false
?? Queue.c
/* 判斷隊(duì)列是否為空 */
bool QueueIsEmpty(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
return pQ->pHead == NULL; //如果成立則為True，不成立則為False
}
?? 解讀：
① 首先斷言防止傳入的pQ為空。
② 判斷隊(duì)列是否為空，可以直接返回，巧妙地利用布爾類型的特性。如果 pQ->pHead == NULL 成立則為真，會(huì)返回 true；不成立則為假，會(huì)返回 false。
0x03 入隊(duì)（QueuePush）
?? Queue.h
void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x); //入隊(duì)
?? Queue.c
/* 入隊(duì)：隊(duì)尾入數(shù)據(jù)，對(duì)頭出數(shù)據(jù)。如果是第一個(gè)入隊(duì)的則既要當(dāng)頭又當(dāng)尾 */
void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
/* 創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn)：創(chuàng)建一個(gè)大小為QueueNode的空間 */
QueueNode* new_node = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
/* 檢查malloc */
if(new_node == NULL) {
printf("malloc failed!\n");
exit(-1);
}
/* 放置 */
new_node->data = x; //待插入的數(shù)據(jù)
new_node->next = NULL; //默認(rèn)為空
/* 入隊(duì)：
*【思路草圖】
* 情況1：隊(duì)列為空：既當(dāng)頭又當(dāng)尾
* [new_node]
* ↑ ↑
* pHead pTail
*
* 情況2：隊(duì)列不為空：隊(duì)尾入數(shù)據(jù)
* [] -> [] -> [] -> [] -> [new_node]
* pHead pTail pTail->next
* ↓ ↑
* ----------→ pTail（更新尾指針）
*/
if(pQ->pHead == NULL) { //情況1: 隊(duì)列為空
pQ->pHead = pQ->pTail = new_node; // 既當(dāng)頭又當(dāng)尾
} else { //情況2: 隊(duì)列不為空
pQ->pTail->next = new_node; // 在現(xiàn)有尾的后一個(gè)節(jié)點(diǎn)放置new_node
pQ->pTail = new_node; // 更新pTail，使它指向新的尾
}
}
?? 解讀：
① 首先斷言防止傳入的pQ為空。
② 我們首先要?jiǎng)?chuàng)建新節(jié)點(diǎn)。通過(guò) malloc 動(dòng)態(tài)內(nèi)存開辟一塊 QueueNode 大小的空間，都學(xué)到這里了大家想必都養(yǎng)成了檢查 malloc 的好習(xí)慣了吧？。最后放置數(shù)據(jù)嗎，將待插入的數(shù)據(jù) x 交給 data，next 默認(rèn)置空，和之前學(xué)鏈表一樣，這里就不過(guò)多贅述了。
③ 新節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建好后，我們可以開始寫入隊(duì)的操作了。首先要理解隊(duì)列的性質(zhì)：隊(duì)尾入數(shù)據(jù)，隊(duì)頭出數(shù)據(jù)。這里既然是入隊(duì)，就要在對(duì)尾后面進(jìn)行插入。這里我們還要考慮到如果隊(duì)列為空的情況，這時(shí)我們要把頭指針和尾指針都交付給 new_node 。為了理清思路，我們可以畫一個(gè)思路草圖來(lái)幫助我們更好地理解：
有了這個(gè)圖，我們就可以清楚地實(shí)現(xiàn)了：
if(pQ->pHead == NULL) { //情況1: 隊(duì)列為空
pQ->pHead = pQ->pTail = new_node; // 既當(dāng)頭又當(dāng)尾
}
else { //情況2: 隊(duì)列不為空
pQ->pTail->next = new_node; // 在現(xiàn)有尾的后一個(gè)節(jié)點(diǎn)放置new_node
pQ->pTail = new_node; // 更新pTail，使它指向新的尾
}
當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，令頭指針和尾指針都指向 new_node ，當(dāng)隊(duì)列不為空時(shí)，再尾部地下一個(gè)節(jié)點(diǎn)放置 new_node?，隨后再更新尾指針讓其指向新的尾（new_node 的位置）。
0x04 出隊(duì)（QueuePop）
?? Queue.h
void QueuePop(Queue* pQ); //出隊(duì)
?? Queue.c
/* 出隊(duì)：隊(duì)尾入數(shù)據(jù)，對(duì)頭出數(shù)據(jù) */
void QueuePop(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止隊(duì)列為空
/* 出隊(duì):
*【思路草圖】
* [free] -> [] -> [] -> []
* pHead headNext
* ↓ ↑
* -------→ pHead（更新頭指針）
*/
QueueNode* headNext = pQ->pHead->next; //信標(biāo)指針HeadNext
free(pQ->pHead);
pQ->pHead = headNext; //更新頭
/* 如果隊(duì)內(nèi)都被刪完了，不處理pTail就會(huì)帶來(lái)野指針的隱患
* 【思路草圖】
* NULL 已經(jīng)被free掉的內(nèi)存！
* ↑ ↑ （野指針警告）
* pHead(因?yàn)镠eadNext是NULL) pTail
*/
if(pQ->pHead == NULL) //如果pHead為空
pQ->pTail = NULL; //處理一下尾指針，將尾指針置空
}
?? 解讀：
① 首先斷言防止傳入的 pQ 為空，這里還要放置隊(duì)列為空，如果隊(duì)列為空還要求出隊(duì)的話會(huì)出問(wèn)題的，所以這里要斷言一下 QueueIsEmpty 為假。
② 思路草圖如下：
出數(shù)據(jù)需要釋放，和銷毀一樣，這里使用一個(gè)類似于信標(biāo)性質(zhì)的指針來(lái)記錄 pHead 的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，之后我們就可以大膽地釋放 pHead 而不用擔(dān)心找不到了。free 掉之后更新頭即可，令頭指針指向 headNext 即可。?
?? 注意：這里還要考慮一個(gè)問(wèn)題，如果隊(duì)內(nèi)都被刪完了，pHead 往后走指向空，但是 pTail 仍然指向那塊已經(jīng)被 free 掉的空間。pTail 就是一個(gè)典型的野指針。
我們可以不用擔(dān)心 pHead，因?yàn)楹竺鏇](méi)有數(shù)據(jù)他會(huì)自然指向 NULL，但是我們這里得關(guān)注 pTail ！我們需要手動(dòng)處理一下它：
如果 pHead 為空，我們就把 pTail 也置為空即可。
if(pQ->pHead == NULL) //如果pHead為空
pQ->pTail = NULL; //處理一下尾指針，將尾指針置空
0x05?返回隊(duì)頭數(shù)據(jù)（QueueFront）
?? Queue.h
QueueDataType QueueFront(Queue* pQ); //返回隊(duì)頭數(shù)據(jù)
?? Queue.c
/* 返回隊(duì)頭數(shù)據(jù) */
QueueDataType QueueFront(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止隊(duì)列為空
return pQ->pHead->data;
}
?? 解讀：
① 首先斷言防止傳入的 pQ 為空，這里我們還是要斷言一下 QueueIsEmpty 為假，因?yàn)槿绻?duì)內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)，還返回個(gè)錘子數(shù)據(jù)呢。
② 這里直接返回頭的數(shù)據(jù)即可，特別簡(jiǎn)單沒(méi)有什么好講的。
0x06?返回隊(duì)尾數(shù)據(jù)（QueueBack）
?? Queue.h
QueueDataType QueueBack(Queue* pQ); //返回隊(duì)尾數(shù)據(jù)
?? Queue.c
/* 返回隊(duì)尾數(shù)據(jù) */
QueueDataType QueueBack(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止隊(duì)列為空
return pQ->pTail->data;
}
?? 解讀：
① 首先斷言防止傳入的 pQ 為空，斷言一下 QueueIsEmpty 為假。
② 這里直接返回隊(duì)尾的數(shù)據(jù)即可。
0x07?求隊(duì)列大小（QueueSize）
?? Queue.h
int QueueSize(Queue* pQ); //求隊(duì)列大小
?? Queue.c
/* 求隊(duì)列大?。河?jì)數(shù)器法 */
int QueueSize(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
int count = 0; //計(jì)數(shù)器
QueueNode* cur = pQ->pHead; //創(chuàng)建遍歷指針cur
while(cur != NULL) {
++count; //計(jì)數(shù)+1
cur = cur->next; //移動(dòng)指針cur
}
return count;
}
?? 解讀：這里我們采用計(jì)數(shù)器法來(lái)求大小即可，調(diào)用一次就是 O(N)?，也沒(méi)什么不好的。
① 首先斷言防止傳入的 pQ 為空。
② 創(chuàng)建計(jì)數(shù)器變量和遍歷指針 cur，遍歷整個(gè)隊(duì)列并計(jì)數(shù)，最后返回計(jì)數(shù)的結(jié)果即可。
0x08 完整代碼
?? Queue.h
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
typedef int QueueDataType; //隊(duì)列類型
typedef struct QueueNode {
struct QueueNode* next; //指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
QueueDataType data; //數(shù)據(jù)
} QueueNode;
typedef struct Queue {
QueueNode* pHead; //頭指針
QueueNode* pTail; //尾指針
} Queue;
void QueueInit(Queue* pQ); //隊(duì)列初始化
void QueueDestroy(Queue* pQ); //銷毀隊(duì)列
bool QueueIsEmpty(Queue* pQ); //判斷隊(duì)列是否為空
void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x); //入隊(duì)
void QueuePop(Queue* pQ); //出隊(duì)
QueueDataType QueueFront(Queue* pQ); //返回隊(duì)頭數(shù)據(jù)
QueueDataType QueueBack(Queue* pQ); //返回隊(duì)尾數(shù)據(jù)
int QueueSize(Queue* pQ); //求隊(duì)列大小
?? Queue.c
#include <Queue.h>
/* 隊(duì)列初始化：將頭尾指針置為NULL */
void QueueInit(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
pQ->pHead = pQ->pTail = NULL; //將頭尾指針置空
}
/* 銷毀隊(duì)列：free掉所有隊(duì)列元素并將頭尾置空 */
void QueueDestroy(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
QueueNode* cur = pQ->pHead; //創(chuàng)建遍歷指針cur
while(cur != NULL) { //cur不為空就進(jìn)入循環(huán)
QueueNode* curNext = cur->next; //信標(biāo)指針curNext，防止釋放cur后找不到其下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
free(cur); //釋放cur當(dāng)前指向的節(jié)點(diǎn)
cur = curNext; //移動(dòng)指針cur
}
pQ->pHead = pQ->pTail = NULL; //置空干掉野指針
}
/* 判斷隊(duì)列是否為空 */
bool QueueIfEmpty(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
return pQ->pHead == NULL; //如果成立則為True，不成立則為False
}
/* 入隊(duì)：隊(duì)尾入數(shù)據(jù)，對(duì)頭出數(shù)據(jù)。如果是第一個(gè)入隊(duì)的則既要當(dāng)頭又當(dāng)尾 */
void QueuePush(Queue* pQ, QueueDataType x) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
/* 創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn)：創(chuàng)建一個(gè)大小為QueueNode的空間 */
QueueNode* new_node = (QueueNode*)malloc(sizeof(QueueNode));
/* 檢查malloc */
if(new_node == NULL) {
printf("malloc failed!\n");
exit(-1);
}
/* 放置 */
new_node->data = x; //待插入的數(shù)據(jù)
new_node->next = NULL; //默認(rèn)為空
/* 入隊(duì)：
*【思路草圖】
* 情況1：隊(duì)列為空：既當(dāng)頭又當(dāng)尾
* [new_node]
* ↑ ↑
* pHead pTail
*
* 情況2：隊(duì)列不為空：隊(duì)尾入數(shù)據(jù)
* [] -> [] -> [] -> [] -> [new_node]
* pHead pTail pTail->next
* ↓ ↑
* ----------→ pTail（更新尾指針）
*/
if(pQ->pHead == NULL) { //情況1: 隊(duì)列為空
pQ->pHead = pQ->pTail = new_node; // 既當(dāng)頭又當(dāng)尾
} else { //情況2: 隊(duì)列不為空
pQ->pTail->next = new_node; // 在現(xiàn)有尾的后一個(gè)節(jié)點(diǎn)放置new_node
pQ->pTail = new_node; // 更新pTail，使它指向新的尾
}
}
/* 出隊(duì)：隊(duì)尾入數(shù)據(jù)，對(duì)頭出數(shù)據(jù) */
void QueuePop(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止隊(duì)列為空
/* 出隊(duì):
*【思路草圖】
* [free] -> [] -> [] -> []
* pHead headNext
* ↓ ↑
* -------→ pHead（更新頭指針）
*/
QueueNode* headNext = pQ->pHead->next; //信標(biāo)指針HeadNext，防止釋放pHead后找不到其下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
free(pQ->pHead);
pQ->pHead = headNext; //更新頭
/* 如果隊(duì)內(nèi)都被刪完了，不處理pTail就會(huì)帶來(lái)野指針的隱患
* 【思路草圖】
* NULL 已經(jīng)被free掉的空間！
* ↑ ↑ （野指針）
* pHead(因?yàn)镠eadNext是NULL) pTail
*/
if(pQ->pHead == NULL) //如果pHead為空
pQ->pTail = NULL; //處理一下尾指針，將尾指針置空
}
/* 返回隊(duì)頭數(shù)據(jù) */
QueueDataType QueueFront(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止隊(duì)列為空
return pQ->pHead->data;
}
/* 返回隊(duì)尾數(shù)據(jù) */
QueueDataType QueueBack(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
assert(!QueueIsEmpty(pQ)); //防止隊(duì)列為空
return pQ->pTail->data;
}
/* 求隊(duì)列大?。河?jì)數(shù)器法 */
int QueueSize(Queue* pQ) {
assert(pQ); //防止傳入的pQ為空
int count = 0; //計(jì)數(shù)器
QueueNode* cur = pQ->pHead; //創(chuàng)建遍歷指針cur
while(cur != NULL) {
++count; //計(jì)數(shù)+1
cur = cur->next; //移動(dòng)指針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);
//假設(shè)先入了1 2，讓1出來(lái)，再繼續(xù)入，它的順序還是不會(huì)變。
// 永遠(yuǎn)保持先進(jìn)先出的，無(wú)論是入了兩個(gè)出兩個(gè)，再入再出，還是全部入完了再出，都是不會(huì)變的。這就是隊(duì)列的性質(zhì)
while(!QueueIsEmpty(&q)) {
QueueDataType front = QueueFront(&q);
printf("%d ", front);
QueuePop(&q); //pop掉去下一個(gè)
}
printf("\n");
QueueDestroy(&q);
}
int main(void) {
TestQueue2();
return 0;
}
參考資料：
Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .
百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.
?? 筆者：王亦優(yōu)
?? 更新： 2021.11.17
? 勘誤： 無(wú)
?? 聲明： 由于作者水平有限，本文有錯(cuò)誤和不準(zhǔn)確之處在所難免，本人也很想知道這些錯(cuò)誤，懇望讀者批評(píng)指正！
本篇完。
到此這篇關(guān)于C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)系列隊(duì)列篇的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語(yǔ)言 隊(duì)列內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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在開發(fā)時(shí)，常常會(huì)需要用到計(jì)算機(jī)的相關(guān)信息。利用這些信息，我們可以開發(fā)一些輔助模塊。本文將利用Qt實(shí)現(xiàn)獲取計(jì)算機(jī)的硬件信息，感興趣的可以嘗試一下2022-12-12
這篇文章主要介紹了C語(yǔ)言中的getchar和putchar的使用方法的相關(guān)資料,希望通過(guò)本文能幫助到大家，需要的朋友可以參考下2017-10-10
C語(yǔ)言對(duì)數(shù)組元素進(jìn)行冒泡排序的實(shí)現(xiàn)
這篇文章主要介紹了C語(yǔ)言對(duì)數(shù)組元素進(jìn)行冒泡排序的實(shí)現(xiàn)，文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來(lái)一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧2021-02-02
這篇文章主要介紹了詳解socket阻塞與非阻塞，同步與異步、I/O模型，socket網(wǎng)絡(luò)編程中的同步,異步,阻塞式,非阻塞式,有何聯(lián)系與區(qū)別，本文將詳細(xì)講訴。2016-12-12