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一、队列基础概念

1. 队列的定义与特性

队列（Queue）是一种操作受限的线性表，遵循FIFO（First‑In‑First‑Out，先进先出）原则。它只允许在表的一端（队尾）进行插入操作，在另一端（队头）进行删除操作。

核心操作：

• 入队（Enqueue）：在队尾添加新元素。
• 出队（Dequeue）：从队头移除元素。

2. 队列的基本术语

• 队头（Front）：允许删除元素的一端，即最早进入队列的元素所在位置。
• 队尾（Rear）：允许插入元素的一端，即最新进入队列的元素所在位置。
• 队列长度（Length）：队列中当前元素的个数。
• 空队列（Empty Queue）：队列长度为 0 的状态。

3. 队列的常见应用场景

• 任务调度与缓存：操作系统进程调度、打印任务队列。
• 数据缓冲：I/O 缓冲区、消息队列（如 RabbitMQ、Kafka 等）。
• 算法应用：广度优先搜索（BFS）遍历树或图。
• 并发控制：多线程环境下的任务队列、请求排队。
• 网络通信：数据包发送与接收的缓冲区。

4. 队列的两种主要实现方式

• 顺序队列（数组实现）：
  • 使用连续内存空间存储元素。
  • 普通顺序队列的缺陷：存在“假溢出”现象（队尾指针到达数组末尾，但队头前面仍有空闲空间）。
  • 改进方案：循环队列（Circular Queue），通过取模运算实现逻辑上的环形结构，充分利用存储空间。

• 链式队列（链表实现）：
  • 使用单链表（或双向链表）存储元素，每个节点包含数据域和指向下一个节点的指针。
  • 优点：动态分配内存，不存在假溢出问题；插入和删除操作时间复杂度为 O(1)。
  • 缺点：每个节点需要额外存储指针，空间开销略大；访问任意位置元素需要遍历。

5. 队列的基本操作（API）

• 创建队列（create_queue）：初始化队列结构。
• 入队（enqueue）：将元素添加到队尾。
• 出队（dequeue）：移除并返回队头元素。
• 获取队头元素（get_front/peek）：查看队头元素但不移除。
• 判空（is_empty）：检查队列是否为空。
• 获取队列长度（get_length）：返回当前队列中元素的数量。
• 遍历（traverse/show）：按顺序输出队列中的所有元素。
• 销毁队列（destroy_queue）：释放队列占用的所有内存。

6. 循环队列的关键点

• 判空条件：队头指针 front == 队尾指针 rear。
• 判满条件：通常采用两种策略：
  1. 牺牲一个存储单元：(rear + 1) % MAXSIZE == front。
  2. 增加一个 size 字段：记录当前元素个数，size == MAXSIZE 即为满。
• 入队操作：rear = (rear + 1) % MAXSIZE。
• 出队操作：front = (front + 1) % MAXSIZE。

7. 链式队列的实现要点

• 通常使用带头节点的单链表，维护头指针（front）和尾指针（rear）。
• 入队时，将新节点链接到 rear 之后，并更新 rear 指向新节点。
• 出队时，删除 front 指向的节点，并更新 front 指向下一个节点。
• 当队列为空时，front 和 rear 均指向头节点（或均为 NULL）。
• 当队列中只有一个元素时，front 和 rear 指向同一个节点。

8. 队列的时间复杂度分析

9. 队列的变体与扩展

• 双端队列（Deque）：允许在两端进行插入和删除操作。
• 优先队列（Priority Queue）：元素按优先级出队，通常用堆（Heap）实现。
• 阻塞队列（Blocking Queue）：当队列为空时，获取操作会被阻塞；当队列满时，插入操作会被阻塞。
• 并发队列：线程安全的队列实现，如 Java 中的 ConcurrentLinkedQueue。

二、链式队列

1. 创建、判空、销毁

Queue_t *create_queue(void) { Queue_t *pq = malloc(sizeof(Queue_t)); if(NULL == pq) { printf("malloc error\n"); return NULL; } pq->phead = NULL; pq->ptail = NULL; pq->clen = 0; return pq; } int queue_is_empty(Queue_t *pq) { return NULL == pq->phead; } void destroy_queue(Queue_t *pq) { if(NULL == pq) return; while(!queue_is_empty(pq)) { dequeue(pq); } free(pq); }

2. 入队（队尾插入）

int enqueue(Queue_t *pq, int data) { if(NULL == pq) return -1; QNode_t *pnew = malloc(sizeof(QNode_t)); if(NULL == pnew) { printf("malloc error\n"); return -1; } pnew->data = data; pnew->pnext = NULL; if(queue_is_empty(pq)) { pq->phead = pnew; pq->ptail = pnew; } else { pq->ptail->pnext = pnew; pq->ptail = pnew; } pq->clen++; return 0; }

3. 出队（队头删除）

int dequeue(Queue_t *pq) { if(NULL == pq || queue_is_empty(pq)) { printf("队列空，无法出队\n"); return -1; } QNode_t *pdel = pq->phead; pq->phead = pq->phead->pnext; free(pdel); pq->clen--; //注意：删完变空队列，ptail置NULL，避免野指针 if(queue_is_empty(pq)) { pq->ptail = NULL; } return 0; }

4. 获取队头元素

int get_front(Queue_t *pq,int *val) { if(NULL == pq || queue_is_empty(pq)) return -1; *val = pq->phead->data; return 0; }

5. 遍历打印

void show_queue(Queue_t *pq) { if(queue_is_empty(pq)) { printf("队列为空\n"); return; } QNode_t *p = pq->phead; printf("队列元素："); while(p != NULL) { printf("%d ",p->data); p = p->pnext; } printf("\n"); }

三、循环队列

1. 创建、判满、判空、销毁

SQue_t *create_seq_queue(void) { SQue_t *psq = malloc(sizeof(SQue_t)); if (NULL == psq) { printf("malloc error\n"); return NULL; } //开辟存储数据的数组空间 psq->pbase = malloc(SEQ_MAX_LEN * sizeof(Data_t)); if (NULL == psq->pbase) { printf("malloc error\n"); free(psq); //分配数组失败，要释放已经申请的SQue_t，防止内存泄漏 return NULL; } psq->head = 0; psq->tail = 0; return psq; } //队列是否满 int is_full_seq_queue(SQue_t *psq) { return (psq->tail + 1) % SEQ_MAX_LEN == psq->head; } //队列是否空 int is_empty_seq_queue(SQue_t *psq) { return psq->head == psq->tail; } void destroy_seq_queue(SQue_t *psq) { if (psq == NULL) return; free(psq->pbase); //先释放数组 free(psq); //再释放管理结构体 }

2. 入队、出队、获取队头

//入队：队尾添加元素 int push_seq_queue(SQue_t *psq, Data_t data) { if (is_full_seq_queue(psq)) { printf("队列已满，无法入队\n"); return -1; } psq->pbase[psq->tail] = data; psq->tail = (psq->tail + 1) % SEQ_MAX_LEN; return 0; } //出队：队头删除元素，pdata接收出队的数据，可以传NULL不接收 int pop_seq_queue(SQue_t *psq, Data_t *pdata) { if (is_empty_seq_queue(psq)) { printf("队列为空，无法出队\n"); return -1; } if (pdata != NULL) { *pdata = psq->pbase[psq->head]; } psq->head = (psq->head + 1) % SEQ_MAX_LEN; return 0; } //获取队头元素，不删除 int get_seq_queue_head(SQue_t *psq, Data_t *pdata) { if (is_empty_seq_queue(psq)) { return -1; } if (pdata != NULL) { *pdata = psq->pbase[psq->head]; return 0; } return -1; }

3. 遍历打印

void show_seq_queue(SQue_t *psq) { if(is_empty_seq_queue(psq)) { printf("队列为空\n"); return; } int i; for (i = psq->head; i != psq->tail; i = (i + 1) % SEQ_MAX_LEN) { printf("%d ", psq->pbase[i].num); } printf("\n"); }