队列的基本操作(顺序队列、循环队列、链式队列)

队列的基本操作(顺序队列、循环队列、链式队列)    队列也是一种线性表,是一种先进先出的线性结构。队列只允许在表的一端进行插入(入队)、删除(出队)操作。允许插入的一端称为队尾,允许删除的一端称为队头。    队列的基本操作包括:初始化队列:InitQueue(Q) &

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

        队列也是一种线性表,是一种先进先出的线性结构。队列只允许在表的一端进行插入(入队)、删除(出队)操作。允许插入的一端称为队尾,允许删除的一端称为队头。
       队列的基本操作包括:

  • 初始化队列:InitQueue(Q)
       操作前提:Q为未初始化的队列。
       操作结果:将Q初始化为一个空队列。
  • 判断队列是否为空:IsEmpty(Q)
       操作前提:队列Q已经存在。
       操作结果:若队列为空则返回1,否则返回0。
  • 判断队列是否已满:IsFull(Q)
       操作前提:队列Q已经存在。
       操作结果:若队列为满则返回1,否则返回0。
  • 入队操作:EnterQueue(Q,data)
       操作前提:队列Q已经存在。
       操作结果:在队列Q的队尾插入data。
  • 出队操作:DeleteQueue(Q,&data)
       操作前提:队列Q已经存在且非空。
       操作结果:将队列Q的队头元素出队,并使用data带回出队元素的值。
  • 取队首元素:GetHead(Q,&data)
       操作前提:队列Q已经存在且非空。
       操作结果:若队列为空则返回1,否则返回0。
  • 清空队列:ClearQueue(&Q)
       操作前提:队列Q已经存在。
       操作结果:将Q置为空队列。

       队列有两种存储形式:顺序存储和链式存储。采用顺序队列存储的队列称为顺序队列,采用链式存储的队列称为链式队列。顺序队列采用数组存储队列中的元素,使用两个指针尾指针(rear)和头指针(front)分别指向队列的队头和队尾。使用顺序队列由于在操作时会出现“假溢出现象”,所以可以使用顺序循环队列合理的使用队列空间。链式队列使用链表来实现,链表中的数据域用来存放队列中的元素,指针域用来存放队列中下一个元素的地址,同时使用队头指针指向队列的第一个元素和最后一个元素。


顺序队列的基本操作

/*---------------------------------------------------------------- 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。 ◆ 队列为空:front=rear。 ◆ 队满:rear=MaxSize。 ◆ 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。 ◆ 取队首元素:返回fornt指向的元素值 -----------------------------------------------------------------*/

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <Windows.h>

#define MaxSize 10 //队列的最大容量

typedef int DataType;  //队列中元素类型
typedef struct Queue
{
    DataType Queue[MaxSize];
    int fornt;   //队头指针
    int rear;    //队尾指针
}SeqQueue;

//队列初始化,将队列初始化为空队列
void InitQueue(SeqQueue *SQ)
{
    SQ->fornt = SQ->rear = 0;  //把对头和队尾指针同时置0
 }

//判断队列为空

int IsEmpty(SeqQueue* SQ)
{
    if (SQ->fornt == SQ->rear)
    {
        return 1;
    }
    return 0;
}

//判断队列是否为满

int IsFull(SeqQueue* SQ)
{
    if (SQ->rear == MaxSize) 
    {
        return 1;
    }
    return 0;
}

//入队,将元素data插入到队列SQ中

void EnterQueue(SeqQueue* SQ,DataType data)
{
    if (IsFull(SQ))
    {
        printf("队列已满\n");
        return 0;
    }
    SQ->Queue[SQ->rear] = data;  //在队尾插入元素data
    SQ->rear = SQ->rear + 1;     //队尾指针后移一位
}

//出队,将队列中队头的元素data出队,出队后队头指针front后移一位
int DeleteQueue(SeqQueue* SQ,DataType* data)
{
    if (IsEmpty(SQ))
    {
        printf("队列为空!\n");
        return 0;
    }
    *data = SQ->Queue[SQ->fornt];   //出队元素值
    SQ->fornt = (SQ->fornt)+1;      //队尾指针后移一位
    return 1;
}

//获取队首元素

int GetHead(SeqQueue* SQ,DataType* data)
{
    if (IsEmpty(SQ))
    {
        printf("队列为空!\n");
    }
    return *data = SQ->Queue[SQ->fornt];  
}

//清空队列

void ClearQueue(SeqQueue* SQ)
{
    SQ->fornt = SQ->rear = 0;
}

//打印队列中的与元素

void PrintQueue(SeqQueue* SQ)
{
    assert(SQ);    
    int i = SQ->fornt;
    while(i<SQ->rear)
    {
        printf("%-3d", SQ->Queue[i]);
        i++;
    }
    printf("\n");
}
int main()
{
    SeqQueue SQ;
    DataType data;
    //初始化队列
    InitQueue(&SQ);
    //入队
    EnterQueue(&SQ, 1);
    EnterQueue(&SQ, 2);
    EnterQueue(&SQ, 3);
    EnterQueue(&SQ, 4);
    EnterQueue(&SQ, 5);
    EnterQueue(&SQ, 6);
    EnterQueue(&SQ, 8);
    EnterQueue(&SQ, 10);
    EnterQueue(&SQ, 12);
    EnterQueue(&SQ, 15);
    EnterQueue(&SQ, 16);

    //打印队列中的元素
    printf("队列中的元素为:");
    PrintQueue(&SQ);
    printf("\n");
    //出队
    DeleteQueue(&SQ, &data);
    printf("出队元素为:%d\n", data);
    printf("\n");
    DeleteQueue(&SQ, &data);
    printf("出队元素为:%d\n", data);
    printf("\n");
    printf("队列中的元素为:");
    PrintQueue(&SQ);
    printf("\n");
    //获取队首元素
    data = GetHead(&SQ, &data);
    printf("队首元素为:%d\n", data);
    printf("#元素16入队#\n");
    //元素16入队
    EnterQueue(&SQ, 16);
    printf("队列中的元素为:");
    PrintQueue(&SQ);
    printf("\n");
    system("pause");
    return 0;
}

测试结果

队列已满
队列中的元素为:1 2 3 4 5 6 8 10 12 15

出队元素为:1

出队元素为:2

队列中的元素为:3 4 5 6 8 10 12 15

队首元素为:3
/#元素16入队#
队列已满
队列中的元素为:3 4 5 6 8 10 12 15

请按任意键继续…

        在上面的代码里,我们定义的队列的最大容量为:10,依此调用入队函数EnterQueue,将1,2,3,4,5,6,8,10,12,15,16总共11个元素依此入队,我们看到运行结果最先输出队列已满,这是因为16入队时,队列以达到最大容量,所以,输出提示信息“队列已满”,打印队列中的元素结果入第二行1,2,3,4,5,6,8,10,12,15。然后依此测试了出队,取队首元素等函数,仔细观察,可以发现在测试出队时,依此出队两次,此时打印队列中的元素值为3,4,5,6,8,10,12,15总共8个元素值。我们定义的队列的最大容量为10,出队两次后队列中的元素个数为8,则队列中还有两个空间,但再次执行入队操作EnterQueue(&SQ, 16); 发现并没有将16成功入队,而是输出提示“队列已满”,再次打印队列中的元素,发现队列中依然只有8个元素。这时怎么回事儿呢?其实这就是文章前边提到的顺序队列的“假溢出现象”
        所谓假溢出现象,即队头由于出队操作,还有剩余空间,但队尾指针已达到数组的末尾,如果继续插入元素,队尾指针就会越出数组的上界,而造成“溢出”,这种溢出不是因为存储空间不够而产生的溢出,而是经过多次插入删除操作引起的,像这中有存储空间而不能插入元素的操作称为“假溢出“。可以通过下面的图爿理解假溢出。
这里写图片描述

        为了充分利用存储空间,消除这种”假溢出”,可以采用的方法是:将为队列分配的空间看成为一个首尾相接的圆环,并称这种队列为循环队列。
        在循环队列中进行出队、入队操作时,队首、队尾指针仍要加1,指针移动。只不过当队头指针front 指向向量上界(MaxSize-1)时,其加1操作的结果是指向向量的下界0。
这种循环意义下的加1操作可以描述为:

if  (i+1==MaxSize)   i=0;
else     i++ ;

        其中: i代表队首指针front(出队时);或队尾指针rear(入队时),用模运算可简化为:i=(i+1)%MaxSize ;显然,循环队列所分配的空间可以被充分利用,除非向量空间真的被队列元素全部占用,否则不会上溢。
        循环队列在队空和队满时,都是队头指针和队尾指针指向同一个位置,即:front==rear 为了区分这两种情况,可以少用一个存储空间,队空的判断条件不变,以队尾指针rear加1等于队头指针为队列的判满条件。即:front = rear 表示队空,(rear + 1) % MaxSize == fornt 表示队满。


循环队列的基本操作

/*---------------------------------------------------------------- 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。 ◆ 队列为空:front=rear。 ◆ 队满:(rear + 1) % MaxSize == fornt ◆ 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。 ◆ 取队首元素:返回fornt指向的元素值 -----------------------------------------------------------------*/

#include<stdio.h>
#include<Windows.h>
#include<assert.h>

#define MaxSize 10
typedef int DataType;
typedef struct SeqQueue
{
    DataType Queue[MaxSize];
    int fornt;
    int rear;
}SeqCirQueue;

//队列初始化

void InitSeqCirQueue(SeqCirQueue* SCQ)
{
    SCQ->fornt = SCQ->rear = 0;
}

//判断队列是否为空
int IsEmpty(SeqCirQueue* SCQ)
{
    if (SCQ->fornt == SCQ->rear)
    {
        return 1;
    }
    return 0;
}

//判断队列是否为满
int IsFull(SeqCirQueue* SCQ)
{
    //尾指针+1追上队头指针,标志队列已经满了
    if ((SCQ->rear + 1) % MaxSize == SCQ->fornt)
    {
        return 1;
    }
    return 0;
}

//入队操作
int EnterSeqCirQueue(SeqCirQueue* SCQ, DataType data)
{
    if (IsFull(SCQ))
    {
        printf("队列已满,不能入队!\n");
        return 0;
    }
    SCQ->Queue[SCQ->rear] = data;
    SCQ->rear = (SCQ->rear + 1) % MaxSize;   //重新设置队尾指针
}


//出队操作
int DeleteSeqCirQueue(SeqCirQueue* SCQ,DataType* data)
{
    if (IsEmpty(SCQ))
    {
        printf("队列为空!\n");
        return 0;
    }
    *data = SCQ->Queue[SCQ->fornt];
    SCQ->fornt = (SCQ->fornt + 1) % MaxSize;  //重新设置队头指针
}

//取队首元素
int GetHead(SeqCirQueue* SCQ,DataType* data)
{
    if (IsEmpty(SCQ))
    {
        printf("队列为空!\n");
        return 0;
    }
    *data = SCQ->Queue[SCQ->fornt];
    return *data;
}

//清空队列
void ClearSeqCirQueue(SeqCirQueue* SCQ)
{
    SCQ->fornt = SCQ->rear = 0;
}

//打印队列元素
void PrintSeqCirQueue(SeqCirQueue* SCQ)
{
    assert(SCQ);   //断言SCQ不为空
    int i = SCQ->fornt;
    if (SCQ->fornt < SCQ->rear)
    {
        for (; i < SCQ->rear; i++)
        {
            printf("%-3d", SCQ->Queue[i]);
        }
    }
    else
    {
        for (i; i <SCQ->rear + MaxSize; i++)
        {
            printf("%-3d", SCQ->Queue[i]);
        }
    }
    printf("\n");
}

int main()
{
    SeqCirQueue SCQ;
    DataType data;
    //初始化队列
    InitSeqCirQueue(&SCQ);
    //入队
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 1);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 2);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 4);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 6);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 8);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 9);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 10);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 12);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 13);
    printf("队列中元素为:\n");
    //打印队列中元素
    PrintSeqCirQueue(&SCQ);
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 15);
    //出队
    DeleteSeqCirQueue(&SCQ, &data);
    printf("出队元素为:%d\n", data);
    printf("\n");
    printf("队列中元素为:\n");
    PrintSeqCirQueue(&SCQ);
    printf("15入队:\n");
    EnterSeqCirQueue(&SCQ, 15);
    printf("队列中元素为:\n");
    PrintSeqCirQueue(&SCQ);
    system("pause");
    return 0;
}

测试结果

队列中元素为:
1 2 4 6 8 9 10 12 13
队列已满,不能入队!
出队元素为:1

队列中元素为:
2 4 6 8 9 10 12 13
15入队:
队列中元素为:
2 4 6 8 9 10 12 13 15
请按任意键继续…

        为了区分队空和队满的条件,少用了一个存储空间,所以队列的实际存储空间为9,当入队9个元素时,再入队显示队列已满,当出队一个元素后,队列中剩余一个存储空间,我们执行入队操作,成功将元素15入队,从而消除了”假溢出现象“。


        队列的链式存储结构简称为链式队列,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。链队的操作实际上是单链表的操作,只不过是出队在表头进行,入队在表尾进行。入队、出队时分别修改不同的指针。链式队列的出队和入队的操作可参考下图:
这里写图片描述


**链式队列的基本操作

#include <stdio.h>
#include <Windows.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>

typedef int DataType;
typedef struct Node
{
    DataType _data;
    struct Node* _next;
}LinkQueueNode;

typedef struct
{
    LinkQueueNode* front;
    LinkQueueNode* rear;
}LinkQueue;

//初始化队列
void InitLinkQueue(LinkQueue* LQ)
{
    //创建一个头结点
    LinkQueueNode* pHead = (LinkQueueNode*)malloc(sizeof(LinkQueueNode));
    assert(pHead);
    LQ->front = LQ->rear = pHead; //队头和队尾指向头结点
    LQ->front->_next = NULL;
}

//判断队列是否为空

int IsEmpty(LinkQueue* LQ)
{
    if (LQ->front->_next == NULL)
    {
        return 1;
    }
    return 0;
}

//入队操作

void EnterLinkQueue(LinkQueue* LQ, DataType data)
{
    //创建一个新结点
    LinkQueueNode* pNewNode = (LinkQueueNode*)malloc(sizeof(LinkQueueNode));
    assert(pNewNode);
    pNewNode->_data = data;  //将数据元素赋值给结点的数据域
    pNewNode->_next = NULL;  //将结点的指针域置空
    LQ->rear->_next = pNewNode;   //将原来队列的队尾指针指向新结点
    LQ->rear = pNewNode;      //将队尾指针指向新结点
}

//出队操作

void DeleteLinkQueue(LinkQueue* LQ,DataType* data)
{
    if (IsEmpty(LQ))
    {
        printf("队列为空!\n");
        return;
    }
    //pDel指向队头元素,由于队头指针front指向头结点,所以pDel指向头结点的下一个结点
    LinkQueueNode* pDel = LQ->front->_next;  
    *data = pDel->_data;   //将要出队的元素赋给data
    LQ->front->_next = pDel->_next;  //使指向头结点的指针指向pDel的下一个结点
    //如果队列中只有一个元素,将队列置空
    if (LQ->rear = pDel)   
    {
        LQ->rear = LQ->front;
    }
    free(pDel);   //释放pDel指向的空间
}

//取队头元素

int GetHead(LinkQueue* LQ, DataType* data)
{
    if (IsEmpty(LQ))
    {
        printf("队列为空!\n");
        return 0;
    }
    LinkQueueNode* pCur;
    pCur = LQ->front->_next;  //pCur指向队列的第一个元素,即头结点的下一个结点
    *data = pCur->_data;      //将队头元素值赋给data
    return *data;             //返回队头元素值
}

//清空队列

void ClearQueue(LinkQueue* LQ)
{
    while (LQ->front != NULL)
    {
        LQ->rear = LQ->front->_next;  //队尾指针指向队头指针的下一个结点
        free(LQ->front);              //释放队头指针指向的结点
        LQ->front = LQ->rear;         //队头指针指向队尾指针
    }
}

//打印队列中的元素

void PrintLinkQueue(LinkQueue* LQ)
{
    assert(LQ);
    LinkQueueNode * pCur;
    pCur = LQ->front->_next;
    while (pCur)
    {
        printf("%-3d", pCur->_data);
        pCur = pCur->_next;
    }
    printf("\n");
}
int main()
{
    LinkQueue LQ; 
    DataType data;
    //初始化队列
    InitLinkQueue(&LQ);
    //入队
    EnterLinkQueue(&LQ, 1); 
    EnterLinkQueue(&LQ, 2);
    EnterLinkQueue(&LQ, 3);
    EnterLinkQueue(&LQ, 4);
    EnterLinkQueue(&LQ, 5);
    EnterLinkQueue(&LQ, 6);
    EnterLinkQueue(&LQ, 7);
    EnterLinkQueue(&LQ, 8);
    printf("队列中的元素为:");
    //打印队列中元素
    PrintLinkQueue(&LQ);
    printf("\n");
    //取队头元素
    data = GetHead(&LQ, &data);
    printf("队头元素为:%d\n", data);
    printf("\n");
    //出队
    DeleteLinkQueue(&LQ, &data);
    printf("出队的元素为:%d\n", data);
    printf("\n");
    printf("队列中的元素为:");
    PrintLinkQueue(&LQ);
    printf("\n");
    data = GetHead(&LQ, &data);
    printf("队头元素为:%d\n", data);
    printf("\n");
    ClearQueue(&LQ);
    system("pause");
    return 0;
}

        链式队列的结点是动态开辟的,入队时,为新节点开辟空间,出队使释放出队元素结点的空间。所以相对于顺序队列和循环队列,链式队列没有判断队列是否为满操作。但在清空队列时需要将队列所有结点的空间动态释放,从而防止内存泄露。测试清空函数可以通过编译器调试来观察。如下图:
这里写图片描述
        在执行完初始化后,开辟了一个新的结点pHead,使头指针和尾指针都指向pHead,pHed->-next = NULL;可以看到pHead的和fornt,rear的地址相同,没有执行入队操作,所以他们的数据域为一个随机值,指针域为空。
        执行完两次入队后:
这里写图片描述
        执行完清空操作后:
这里写图片描述

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