纸上谈兵: 队列 (queue)

优质

小牛编辑

131浏览

2023-12-01

队列(queue)是一个简单而常见的数据结构。队列也是有序的元素集合。队列最大的特征是First In, First Out (FIFO，先进先出)，即先进入队列的元素，先被取出。这一点与栈(stack)形成有趣的对比。队列在生活中很常见，排队买票、排队等车…… 先到的人先得到服务并离开队列，后来的人加入到队列的最后。队列是比较公平的分配有限资源的方式，可以让队列的人以相似的等待时间获得服务。

队列支持两个操作，队首的元素离开队列(dequeue)，和新元素加入队尾(enqueue)。

队列

队列在计算机中应用很广泛。一个经典的应用是消息队列(参考Linux进程间通信)，实际上就是利用队列来分配有限的进程。还有FIFO文件(哦，你可以看到，这种文件叫做FIFO，肯定是和队列有关)，用以实现管道传输。再比如，我们将多个打印任务发送给打印机，打印机也是使用队列来安排任务的顺序。

队列的C实现 (基于表)

和栈相似，队列也可以有多种实现方式，这里是基于单链表的实现。

与表(list)中的实现方式略有不同的是，这里的head node有两个指针，一个(next)指向下一个元素，一个(end)指向队列的最后一个元素。这样做的目的是方便我们找到队尾，以方便的进行enqueue操作。我们依然可以使用之前定义的表，在需要找到队尾的时候遍历搜索到最后一个元素。

用于队列的表

下面是代码:

/* By Vamei */
/* use single-linked list to implement queue */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct node *position;
typedef int ElementTP;

// point to the head node of the list
typedef struct HeadNode *QUEUE;
 
struct node {
    ElementTP element;
    position next;
};

/*
 * CAUTIOUS: "HeadNode" is different from "node", 
 * it's another struct
 * end: points to the last value in the queue
 */
struct HeadNode {
    ElementTP element;
    position next;
    position end;
};


/*
 * Operations
 */
QUEUE init_queue(void);
void delete_queue(QUEUE);
void enqueue(QUEUE, ElementTP);
ElementTP dequeue(QUEUE);
int is_null(QUEUE);

/*
 * Test
 */
void main(void)
{
    ElementTP a;
    int i;
    QUEUE qu;
    qu = init_queue();

    enqueue(qu, 1);
    enqueue(qu, 2);
    enqueue(qu, 8);
    printf("Queue is null? %d\n", is_null(qu));
    for (i=0; i<3; i++) {
        a = dequeue(qu);
        printf("dequeue: %d\n", a);
    }

    printf("Queue is null? %d\n", is_null(qu));    
    delete_queue(qu);
}

/*
 * initiate the queue
 * malloc the head node.
 * Head node doesn't store valid data
 * head->next is the first node in the queue.
 */
QUEUE init_queue(void)
{
    QUEUE hnp;
    hnp = (QUEUE) malloc(sizeof(struct HeadNode));
    hnp->next = NULL;  // qu->next is the first node
    hnp->end  = NULL;
    return hnp;
}

/*
 * dequeue all elements 
 * and then delete head node
 */
void delete_queue(QUEUE qu)
{
    while(!is_null(qu)) {
        dequeue(qu);
    }
    free(qu);
}

/*
 * enqueue a value to the end of the queue 
 */
void enqueue(QUEUE qu, ElementTP value) 
{
    position np, oldEnd;
    oldEnd = qu->end;    

    np = (position) malloc(sizeof(struct node));
    np->element  = value;
    np->next     = NULL;

    /* if queue is empyt, then oldEnd is NULL */
    if (oldEnd) {
        oldEnd->next = np;
    }
    else {
        qu->next     = np;
    }

    qu->end = np; 
}

/* 
 * dequeue the first value
 */
ElementTP dequeue(QUEUE qu)
{
    ElementTP element;
    position first, newFirst;
    if (is_null(qu)) {
        printf("dequeue() on an empty queue");
        exit(1);
    } 
    else {
        first        = qu->next;
        element      = first->element;     
        newFirst     = first->next;
        qu->next     = newFirst;
        free(first);
        return element;
    } 
}

/*
 * check: queue is empty?
 */
int is_null(QUEUE qu)
{
    return (qu->next == NULL);
}

运行结果如下:

Queue is null? 0
dequeue: 1
dequeue: 2
dequeue: 8
Queue is null? 1

总结

队列，FIFO

enqueue, dequeue