队列及其c语言实现

队列的基本概念

队列 (Queue) :也是运算受限的线性表。是一种先进先出 (First In First Out ,简称 FIFO) 的线性表。只允许在表的一端进行插入,而在另一端进行删除。
队首 (front) :允许进行删除的一端称为队首。
队尾 (rear) :允许进行插入的一端称为队尾。

队列中没有元素时称为空队列。在空队列中依次加入元素 a 1 , a 2 , …, a n 之后, a 1 是队首元素, a n 是队尾元素。显然退出队列的次序也只能是 a 1 , a 2 , …, a n ,即队列的修改是依先进先出的原则进行的,如图 3-5 所示。

基本操作

1. 创建新队列
2. 判空
3. 进队
4. 出队
5. 清空队
6. 获得队头元素
7. 遍历队
8. 销毁队
9. 队长

顺序队列

利用一组连续的存储单元 ( 一维数组 ) 依次存放从队首到队尾的各个元素,称为顺序队列。对于队列,和顺序栈相类似,也有动态和静态之分。这里介绍静态顺序队列.其类型定义如
下:

typedef int datatype;#define MAX_QUEUE_SIZE 100typedef struct queue{     datatype queue_array[MAX_QUEUE_SIZE];    int front;    int rear;}sp_queue;

设立一个队首指针 front ,一个队尾指针rear ,分别指向队首和队尾元素。
◆ 初始化: front=rear =0。
◆ 入队:将新元素插入 rear 所指的位置,然后rear 加 1 。
◆ 出队:删去 front 所指的元素,然后加 1 并返回被删元素。
◆ 队列为空: front=rear 。
◆ 队满: rear = MAX_QUEUE_SIZE - 1 或front=rear 。

在非空队列里,队首指针始终指向队头元素,而队尾指针始终指向队尾元素的下一位置。顺序队列中存在“假溢出”现象。因为在入队和出队操作中,头、尾指针只增加不减小,致使被删除元素的空间永远无法重新利用。因此,尽管队列中实际元素个数可能远远小于数组大小,但可能由于尾指针巳超出向量空间的上界而不能做入队操作。该现象称为假溢出。如图 3-6 所示是数组大小为 5 的顺序队列中队首、队尾指针和队列中元素的变化情况。

代码实现

/* 顺序队列接口定义头文件*/#define true 1#define false 0/* 队的最大长度 */#define MAX_QUEUE_SIZE 100/* 队列的数据类型 */typedef int datatype;/* 静态链的数据结构 */typedef struct queue{    datatype sp_queue_array[MAX_QUEUE_SIZE];    /* 队头 */    int front;    /* 队尾 */    int rear;}sp_queue;/* 静态顺序链的接口定义 *//* 静态链的初始化 */sp_queue queue_init();/* 判断队列是否为空,若为空 * 返回true * 否则返回false*/int queue_empty(sp_queue q);/* 插入元素e为队q的队尾新元素  * 插入成功返回true * 队满返回false*/int queue_en(sp_queue *q, datatype e);/* 队头元素出队 * 用e返回出队元素,并返回true * 若队空返回false*/int queue_de(sp_queue *q, datatype *e);/* 清空队 */void queue_clear(sp_queue *q);/* 获得队头元素 * 队列非空,用e返回队头元素,并返回true * 否则返回false*/int get_front(sp_queue, datatype *e );/* 获得队长 */int queue_len(sp_queue q);/* 遍历队 */void queue_traverse(sp_queue q, void(*visit)(sp_queue q));void visit(sp_queue s);/* 接口实现文件 */#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include"sp_queue.h"sp_queue queue_init(){    sp_queue q;    q.front = q.rear = 0;    return q;}int queue_empty(sp_queue q){    return q.front == q.rear;}int queue_en(sp_queue *q, datatype e){    /* 队满 */    if (q -> rear == MAX_QUEUE_SIZE)        return false;    /* 入队 */    q -> sp_queue_array[q -> rear] = e;    printf("q.sp_queue_array[%d]=%d\n", q -> rear, e);    q -> rear += 1;    return true;}int queue_de(sp_queue *q, datatype *e){    /* 队空 */    if(queue_empty(*q))        return false;    /* 出队 */    q -> rear -= 1;    *e = q -> sp_queue_array[q -> rear];    return true;}void queue_clear(sp_queue *q){    q -> front = q -> rear = 0;}int get_front(sp_queue q, datatype *e){    /* 队空 */    if(q.front == q.rear)        return false;    /* 获取队头元素 */    *e = q.sp_queue_array[q.front];    return true;}int queue_len(sp_queue q){    return (q.rear - q.front);}void queue_traverse(sp_queue q, void (*visit)(sp_queue q)){    visit(q);}void visit(sp_queue q){    /* 队空 */    if (q.front == q.rear)        printf("队列为空\n");    int temp = q.front;    while(temp != q.rear)    {        printf("%d ",q.sp_queue_array[temp]);        temp += 1;    }    printf("\n");}int main(){    sp_queue q = queue_init();    queue_en(&q, 1);    queue_en(&q, 2);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_en(&q, 3);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_en(&q, 4);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_en(&q, 5);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_en(&q, 6);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_traverse(q,visit);    datatype *e = (datatype *)malloc(sizeof(*e));    queue_de(&q,e);    printf("queue_de(),e=%d length=%d\n", *e, queue_len(q));    queue_traverse(q, visit);    queue_clear(&q);    queue_traverse(q, visit);    printf("length:%d\n", queue_len(q));}

注意:结构体变量作为函数的参数和其他普通变量一样,值只会在函数体内被修改,想要通过函数更改结构体的值,可以通过结构体指针作为函数的参数实现.

队列的链式表示和实现

队列的链式存储结构简称为链队列,它是限制仅在表头进行删除操作和表尾进行插入操作的单链表。需要两类不同的结点:数据元素结点,队列的队
首指针和队尾指针的结点,如图 3-8 所示。

数据元素结点类型定义:

typedef struct q_node{    datatype data;    struct q_node *next;}q_node;

指针结点类型:

typedef struct {    q_node *front;    q_node *rear;   }link_queue;

链队运算及指针变化

链队的操作实际上是单链表的操作,只不过是删除
在表头进行,插入在表尾进行。插入、删除时分别修改
不同的指针。链队运算及指针变化如图 3-9 所示。

代码实现

/* 链式栈接口的定义头文件 */#define true 1#define false 0/* 队列的数据类型 */typedef int datatype;/* 静态链的数据结构 */typedef struct q_node{    datatype data;    struct q_node *next;}q_node,*link_node;typedef struct l_queue{    /* 队头指针 */    q_node *front;    /* 队尾指针 */    q_node *rear;}*link_queue;/* 静态顺序链的接口定义 *//* 静态链的初始化 */link_queue queue_init();/* 判断队列是否为空,若为空 * 返回true * 否则返回false*/int queue_empty(link_queue q);/* 插入元素e为队q的队尾新元素  * 插入成功返回true * 队满返回false*/int queue_en(link_queue q, datatype e);/* 队头元素出队 * 用e返回出队元素,并返回true * 若队空返回false*/int queue_de(link_queue q, datatype *e);/* 清空队 */void queue_clear(link_queue q);/* 销毁队 */void queue_destroy(link_queue q);/* 获得队头元素 * 队列非空,用e返回队头元素,并返回true * 否则返回false*/int get_front(link_queue q, datatype *e );/* 获得队长 */int queue_len(link_queue q);/* 遍历队 */void queue_traverse(link_queue q, void(*visit)(link_queue q));void visit(link_queue q);/* 接口的实现文件 */#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include"lp_queue.h"link_queue queue_init(){    /* 新建头结点 */    link_node new_node = (link_node)malloc(sizeof(q_node));    new_node -> next = NULL;    /* 指针结点 */    link_queue q = (link_queue)malloc(sizeof(*q));    q -> front = q -> rear = new_node;    return q;}int queue_empty(link_queue q){    return q -> front == q -> rear;}int queue_en(link_queue q, datatype e){    /* 新建数据结点 */    link_node new_node = (link_node)malloc(sizeof(q_node));    /* 内存分配失败 */    if(!new_node)        return false;    new_node -> data = e;    q -> rear -> next = new_node;    q -> rear = new_node;    return true;}int queue_de(link_queue q, datatype *e){    /* 队列为空 */    if (q -> front == q -> rear)        return false;    *e = q -> front -> next -> data;    link_node temp = q -> front -> next;    q -> front -> next = temp -> next;    /* 防止丢失尾指针 */    if (temp == q.rear -> next)        q -> rear = q -> front;     free(temp);    temp = NULL;    return true;}void queue_clear(link_queue q){    /* 头结点 */    link_node head = q -> front -> next;    head -> next = NULL;    q -> front = q -> rear = head;    /* 第一个结点 */    link_node temp = head -> next;    while(temp)    {        link_node p = temp;        temp = p -> next;        free(p);        p = NULL;    }}void queue_destroy(link_queue q){    queue_clear(q);    free(q);    q = NULL;}int get_front(link_queue q, datatype *e){    /* 队为空 */    if (q -> front == q -> rear)        return false;    *e = q -> front -> next -> data;    link_node temp = q -> front -> next;    q -> front -> next = temp -> next;    free(temp);    temp = NULL;    return true;}int queue_len(link_queue q){    /* 头结点 */    link_node p = q -> front -> next;    /* 计数器 */    int count = 0;    while(p)    {        count += 1;        p = p -> next;    }    return count;}void queue_traverse(link_queue q, void(*visit)(link_queue q)){    visit(q);}void visit(link_queue q){    /* 头结点 */    link_node p = q -> front -> next;    if(!p)    {        printf("队列为空");    }    while(p)    {        printf("%d ", p -> data);        p = p -> next;    }    printf("\n");}int main(){    link_queue q = queue_init();    queue_en(q, 1);    queue_en(q, 2);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_en(q, 3);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_en(q, 4);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_en(q, 5);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_en(q, 6);    printf("length=%d\n", queue_len(q));    queue_traverse(q,visit);    datatype *e = (datatype *)malloc(sizeof(*e));    queue_de(q,e);    printf("queue_de(),e=%d length=%d\n", *e, queue_len(q));    queue_traverse(q, visit);    queue_clear(q);    queue_traverse(q, visit);    printf("length:%d\n", queue_len(q));}

执行结果: