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队列的存储结构和常见操作（c 语言实现）
一、队列（queue）
队列和栈一样，在实际程序的算法设计和计算机一些其他分支里，都有很多重要的应用，比如计算机操作系统对进程 or 作业的优先级调度算法，对离散事件的模拟算法，还有计算机主机和外部设备运行速度不匹配的问题解决等，很多很多。其实队列的本质还是线性表！只不过是一种特殊的或者说是受限的线性表，是这样的：
1）、限定在表的一端插入、另一端删除。 插入的那头就是队尾，删除的那头就是队头。也就是说只能在线性表的表头删除元素，在表尾插入元素。形象的说就是水龙头和水管，流水的水嘴是队头，进水的泵是队尾，管子中间不漏水不进水。这样呲呲的流动起来，想想就是这么个过程。
2)、先进先出 (FIFO结构)。显然我们不能在表（队列）的中间操作元素，只能是在尾部进，在头部出去，还可以类似火车进隧道的过程。（first in first out = FIFO 结构）
注意，当队列没有元素的时候，我们就说队列是空队列。
1、双端队列
double-ended queue：限定插入和删除在表的两端进行，也是先进先出 (FIFO)结构，类似铁路的转轨网络。实际程序中应用不多。
这种结构又细分为三类：
1）、输入受限的双端队列：一个端点可插入和删除，另一个端点仅可删除。
2）、输出受限的双端队列：一个端点可插入和删除，另一个端点仅可插入。
3）、等价于两个栈底相连接的栈：限定双端队列从某个端点插入的元素，只能在此端点删除。
2、链队（有链的地方，就有指针）
用链表表示的队列，限制仅在表头删除和表尾插入的单链表。一个链队列由一个头指针和一个尾指针唯一确定。（因为仅有头指针不便于在表尾做插入操作）。为了操作的方便，也给链队列添加一个头结点，因此，空队列的判定条件是：头指针和尾指针都指向头结点。
之前的链式结构，总是使用一个结点的结构来表示链表，其实不太方便，这里使用新的存储结构。定义一个结点结构，和一个队列结构。两个结构嵌套。
1 #ifndef queue_Header_h 2 #define queue_Header_h 3 #include <stdio.h> 4 #include <stdlib.h> 5 #include <stdbool.h> 6 7 //队列的结点结构 8 typedef struct Node{ 9 int data;10 struct Node *next;11 } Node, *Queue;12 13 //队列的结构，嵌套14 typedef struct{15 Queue front;16 Queue rear;17 } LinkQueue;18 19 //初始化20 //开始必然是空队列，队尾指针和队头指针都指向头结点21 void initQueue(LinkQueue *queue)22 {23 //初始化头结点24 queue->front = queue->rear = (Queue)malloc(sizeof(Node));25 26 if (NULL == queue->front) {27 exit(0);28 }29 30 queue->front->next = NULL;31 }32 33 //判空34 bool isEmpty(LinkQueue queue)35 {36 return queue.rear == queue.front ? true : false;37 }38 39 //入队,只在一端入队，另一端出队，同样入队不需要判满40 void insertQueue(LinkQueue *queue, int temp)41 {42 Queue q = (Queue)malloc(sizeof(Node));43 44 if (NULL == q) {45 exit(0);46 }47 //插入数据48 q->data =http://www.mamicode.com/ temp;49 q->next = NULL;50 //rear 总是指向队尾元素51 queue->rear->next = q;52 queue->rear = q;53 }54 55 //出队，需要判空56 void deleteQueue(LinkQueue *queue)57 {58 Queue q = NULL;59 60 if (!isEmpty(*queue)) {61 q = queue->front->next;62 queue->front->next = q->next;63 //这句很关键，不能丢64 if (queue->rear == q) {65 queue->rear = queue->front;66 }67 68 free(q);69 }70 }71 72 //遍历73 void traversal(LinkQueue queue)74 {75 int i = 1;76 Queue q = queue.front->next;77 78 while (q != NULL) {79 printf("队列第%d个元素是：%d\n", i, q->data);80 q = q->next;81 i++;82 }83 }84 85 //销毁86 void destoryQueue(LinkQueue *queue)87 {88 while (queue->front != NULL) {89 queue->rear = queue->front->next;90 free(queue->front);91 queue->front = queue->rear;92 }93 94 puts("销毁成功！");95 }96 97 #endif
测试
1 #include "queue.h" 2 3 int main(int argc, const char * argv[]) 4 { 5 LinkQueue queue; 6 puts("初始化队列 queue"); 7 initQueue(&queue); 8 traversal(queue); 9 10 puts("队尾依次插入0 1 2 3");11 insertQueue(&queue, 0);12 insertQueue(&queue, 1);13 insertQueue(&queue, 2);14 insertQueue(&queue, 3);15 traversal(queue);16 17 puts("先进先出，删除队列从头开始， 0 ");18 deleteQueue(&queue);19 traversal(queue);20 21 puts("先进先出，删除队列从头开始， 1 ");22 deleteQueue(&queue);23 traversal(queue);24 25 puts("先进先出，删除队列从头开始， 2 ");26 deleteQueue(&queue);27 traversal(queue);28 29 puts("先进先出，删除队列从头开始， 3");30 deleteQueue(&queue);31 traversal(queue);32 33 destoryQueue(&queue);34 return 0;35 }
结果：
初始化队列 queue
队尾依次插入0 1 2 3
队列第1个元素是：0
队列第2个元素是：1
队列第3个元素是：2
队列第4个元素是：3
先进先出，删除队列从头开始， 0
队列第1个元素是：1
队列第2个元素是：2
队列第3个元素是：3
先进先出，删除队列从头开始， 1
队列第1个元素是：2
队列第2个元素是：3
先进先出，删除队列从头开始， 2
队列第1个元素是：3
先进先出，删除队列从头开始， 3
销毁成功！
Program ended with exit code: 0
3、顺序队列
限制仅在表头删除和表尾插入的顺序表，利用一组地址连续的存储单元依次存放队列中的数据元素。因为队头和队尾的位置是变化的，所以也要设头、尾指针。
初始化时的头尾指针，初始值均应置为 0。 入队尾指针增 1 ，出队头指针增 1 。头尾指针相等时队列为空，在非空队列里，头指针始终指向队头元素，尾指针始终指向队尾元素的下一位置。
初始为空队列，那么头尾指针相等。
入队，那么尾指针加1，头指针不变。先进先出，J1先进队，则 rear+1，尾指针始终指向队尾元素的下一位！如，J2进队，rear 继续+1，J3进队，尾指针继续加1，如图
出队，则尾指针不变，头指针加1，注意这里都是加1，先进先出原则，J1先删除，front+1，指向了 J2，J2删除，front+1指向了 J3，如图
最后，J3删除，则头指针再次和尾指针相等，说明队列空了。如图
在顺序队列中，当尾指针已经指向了队列的最后一个位置的下一位置时，若再有元素入队，就会发生“溢出”。如图位置，再次入队，就会溢出。
4、循环队列的诞生
顺序队列的 “假溢出” 问题：队列的存储空间未满，却发生了溢出。很好理解，比如 rear 现在虽然指向了最后一个位置的下一位置，但是之前队头也删除了一些元素，那么队头指针经历若干次的 +1 之后，遗留下了很多空位置，但是顺序队列还在傻乎乎的以为再有元素入队，就溢出呢！肯定不合理。故循环队列诞生！
解决“假溢出”的问题有两种可行的方法：
(1)、平移元素：把元素平移到队列的首部。效率低。否决了。
(2)、将新元素插入到第一个位置上，构成循环队列，入队和出队仍按“先进先出”的原则进行。操作效率高、空间利用率高。
虽然使用循环队列，解决了假溢出问题，但是又有新问题发生——判空的问题，因为仅凭 front = rear 不能判定循环队列是空还是满。比如如图：
这是空循环队列的样子
这是满循环队列的样子
解决办法：
(1)、另设一个布尔变量以区别队列的空和满；
(2)、少用一个元素的空间，约定入队前测试尾指针在循环下加 1 后是否等于头指针，若相等则认为队满；（最常用）
(3)、使用一个计数器记录队列中元素的总数。
对于第2个方案，必须牺牲一个元素的空间，那么入队的时候需要测试，循环意义下的加 1 操作可以描述为：
1 if (rear + 1 = MAXQSIZE)2 3 rear = 0;4 5 else6 7 rear ++;
利用模运算可简化为：
1 rear = (rear + 1)% MAXQSIZE
基本操作
1 #ifndef ___queue_Header_h 2 #define ___queue_Header_h 3 #include <stdio.h> 4 #include <stdlib.h> 5 #define MAX_SIZE 5 6 7 typedef struct{ 8 int *base; 9 int rear;//如果队列不空，指向队尾元素的下一个位置10 int front;//初始的时候指向表头11 } CirularQueue;12 13 //初始化14 void initQueue(CirularQueue *queue)15 {16 queue->base = (int *)malloc(MAX_SIZE*sizeof(int));17 18 if (NULL == queue->base) {19 exit(0);20 }21 22 queue->front = queue->rear = 0;23 }
求长度
//求长度int getLength(CirularQueue queue){ //这样把所以的情况都考虑到了 return (queue.rear - queue.front + MAX_SIZE) % MAX_SIZE;}
第一种情况，长度的求法
第二种情况，长度的求法，利用模运算，两个情况合二为一！
//入队，先判满void insertQueue(CirularQueue *queue, int e){ if ((queue->rear + 1) % MAX_SIZE == queue->front) { puts("循环队列是满的！"); } else { queue->base[queue->rear] = e; queue->rear = (queue->rear + 1) % MAX_SIZE; }}
如下时为满，损失一个空间，不存储元素。方便判满
1 //出队 2 void deleteQueue(CirularQueue *queue) 3 { 4 if (queue->front == queue->rear) { 5 puts("队列是空的！"); 6 } 7 else 8 { 9 queue->front = (queue->front + 1) % MAX_SIZE;10 }11 }12 13 //遍历14 void traversal(CirularQueue queue)15 {16 int q = queue.front;17 18 for (int i = 0; i < getLength(queue); i++) {19 printf("循环队列的第%d个元素为%d\n", i + 1, queue.base[q]);20 q++;21 }22 }23 24 #endif
测试
1 #include "Header.h" 2 3 int main(int argc, const char * argv[]) { 4 CirularQueue queue; 5 puts("循环队列初始化："); 6 initQueue(&queue); 7 8 puts("循环队列初始化后长度："); 9 printf("%d\n", getLength(queue));10 11 puts("循环队列5个元素入队，总长度为5，但是损失一个位置空间，实际存储4个元素。先进先出原则：");12 puts("循环队列元素0入队");13 insertQueue(&queue, 0);14 puts("循环队列元素1入队");15 insertQueue(&queue, 1);16 puts("循环队列元素2入队");17 insertQueue(&queue, 2);18 puts("循环队列元素3入队");19 insertQueue(&queue, 3);20 21 puts("循环队列元素遍历：");22 traversal(queue);23 24 puts("循环队列元素继续入队，无法完成：");25 insertQueue(&queue, 4);26 27 puts("循环队列元素0出队之后，先进先出原则：");28 deleteQueue(&queue);29 traversal(queue);30 31 puts("循环队列元素1出队之后，先进先出原则：");32 deleteQueue(&queue);33 traversal(queue);34 35 puts("循环队列元素2出队之后，先进先出原则：");36 deleteQueue(&queue);37 traversal(queue);38 39 puts("循环队列元素3出队之后，先进先出原则：");40 deleteQueue(&queue);41 traversal(queue);42 43 puts("4个元素全部删除，循环队列已经空了：");44 deleteQueue(&queue);45 46 traversal(queue);47 48 return 0;49 }
结果；
循环队列初始化：
循环队列初始化后长度：
0
循环队列5个元素入队，总长度为5，但是损失一个位置空间，实际存储4个元素。先进先出原则：
循环队列元素0入队
循环队列元素1入队
循环队列元素2入队
循环队列元素3入队
循环队列元素遍历：
循环队列的第1个元素为0
循环队列的第2个元素为1
循环队列的第3个元素为2
循环队列的第4个元素为3
循环队列元素继续入队，无法完成：
循环队列是满的！
循环队列元素0出队之后，先进先出原则：
循环队列的第1个元素为1
循环队列的第2个元素为2
循环队列的第3个元素为3
循环队列元素1出队之后，先进先出原则：
循环队列的第1个元素为2
循环队列的第2个元素为3
循环队列元素2出队之后，先进先出原则：
循环队列的第1个元素为3
循环队列元素3出队之后，先进先出原则：
4个元素全部删除，循环队列已经空了：
队列是空的！
Program ended with exit code: 0
小结：
若用户需要循环队列，那么要设置队列的最大长度，否则无法完成判断空，如果用户不知道最大长度是多少，那么应该使用链队。队列在程序设计中和栈一样，应用很多，未完待续。
队列的存储结构和常见操作（c 语言实现）