数据结构——队列

引言

队列（Queue）是计算机科学中一种常见的数据结构，它遵循“先进先出”（FIFO, First In First Out）的原则。队列的应用非常广泛，例如任务调度、缓冲区管理、广度优先搜索（BFS）等。本文将详细介绍队列的基本概念、实现方式以及常见应用场景，帮助你更好地理解和应用这一数据结构。

一、什么是队列？

队列是一种线性数据结构，它只允许在一端（队尾）插入数据，在另一端（队头）删除数据。队列的操作遵循以下规则：

入队（Enqueue）：将元素添加到队尾。
出队（Dequeue）：从队头移除元素。
查看队头元素（Peek/Front）：获取队头元素的值，但不移除它。
判断队列是否为空（IsEmpty）：检查队列中是否有元素。

队列的特性使其非常适合处理需要按顺序处理数据的场景。

二、队列的实现方式

队列可以通过多种方式实现，常见的有数组实现和链表实现。下面我们分别介绍这两种实现方式。

1. 数组实现

使用数组实现队列时，需要维护两个指针：front（队头）和rear（队尾）。初始时，front和rear都指向数组的起始位置。

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

#define MAX_SIZE 100

typedef struct {
    int data[MAX_SIZE];
    int front;
    int rear;
} Queue;

void initQueue(Queue *q) {
    q->front = 0;
    q->rear = -1;
}

int isFull(Queue *q) {
    return q->rear == MAX_SIZE - 1;
}

int isEmpty(Queue *q) {
    return q->front > q->rear;
}

void enqueue(Queue *q, int value) {
    if (isFull(q)) {
        printf("Queue is full!\n");
        return;
    }
    q->data[++q->rear] = value;
}

int dequeue(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) {
        printf("Queue is empty!\n");
        return -1;
    }
    return q->data[q->front++];
}

int peek(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) {
        printf("Queue is empty!\n");
        return -1;
    }
    return q->data[q->front];
}

int main() {
    Queue q;
    initQueue(&q);

    enqueue(&q, 10);
    enqueue(&q, 20);
    enqueue(&q, 30);

    printf("Front element: %d\n", peek(&q)); // 输出 10

    printf("Dequeued: %d\n", dequeue(&q)); // 输出 10
    printf("Dequeued: %d\n", dequeue(&q)); // 输出 20

    printf("Front element: %d\n", peek(&q)); // 输出 30

    return 0;
}

优缺点

优点：实现简单，访问速度快。
缺点：数组大小固定，容易造成空间浪费（假溢出）。

2. 链表实现

使用链表实现队列时，可以动态分配内存，避免了数组实现的固定大小限制。链表的头部作为队头，尾部作为队尾。

代码示例

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

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} Node;

typedef struct {
    Node *front;
    Node *rear;
} Queue;

void initQueue(Queue *q) {
    q->front = q->rear = NULL;
}

int isEmpty(Queue *q) {
    return q->front == NULL;
}

void enqueue(Queue *q, int value) {
    Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    newNode->data = value;
    newNode->next = NULL;

    if (isEmpty(q)) {
        q->front = q->rear = newNode;
    } else {
        q->rear->next = newNode;
        q->rear = newNode;
    }
}

int dequeue(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) {
        printf("Queue is empty!\n");
        return -1;
    }
    Node *temp = q->front;
    int value = temp->data;
    q->front = q->front->next;

    if (q->front == NULL) {
        q->rear = NULL;
    }
    free(temp);
    return value;
}

int peek(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) {
        printf("Queue is empty!\n");
        return -1;
    }
    return q->front->data;
}

int main() {
    Queue q;
    initQueue(&q);

    enqueue(&q, 10);
    enqueue(&q, 20);
    enqueue(&q, 30);

    printf("Front element: %d\n", peek(&q)); // 输出 10

    printf("Dequeued: %d\n", dequeue(&q)); // 输出 10
    printf("Dequeued: %d\n", dequeue(&q)); // 输出 20

    printf("Front element: %d\n", peek(&q)); // 输出 30

    return 0;
}

优缺点

优点：动态分配内存，空间利用率高。
缺点：实现稍复杂，访问速度略慢于数组。

三、队列的应用场景

队列在实际开发中有许多应用场景，以下是一些常见的例子：

任务调度：操作系统使用队列管理进程或线程的调度顺序。
缓冲区管理：在网络通信中，队列用于缓存接收到的数据包。
广度优先搜索（BFS）：在图或树的遍历中，队列用于存储待访问的节点。
消息队列：在分布式系统中，消息队列用于解耦生产者和消费者。

四、队列的变种

除了普通队列，还有一些常见的队列变种：

双端队列（Deque）：允许在队头和队尾进行插入和删除操作。
优先队列（Priority Queue）：元素按优先级出队，优先级高的先出队。
循环队列（Circular Queue）：通过循环利用数组空间，解决普通队列的假溢出问题。

五、总结

队列是一种简单但功能强大的数据结构，广泛应用于各种场景。通过本文的学习，你应该已经掌握了队列的基本概念、实现方式以及常见应用场景。无论是数组实现还是链表实现，队列的核心思想都是“先进先出”。希望本文能帮助你更好地理解和应用队列这一数据结构。

参考资料

《算法导论》—— Thomas H. Cormen
《数据结构与算法分析》—— Mark Allen Weiss
GeeksforGeeks: Queue Data Structure

如果你对队列还有其他疑问，或者想了解更多数据结构的知识，欢迎在评论区留言讨论！