編程小白真香現場！20張圖帶你揭開「隊列」的迷霧，讓你一目瞭然

隊列的概念

首先咱們聯想一下鏈表，在單鏈表中，咱們只能對他的鏈表表尾進行插入，對鏈表的表頭進行結點的刪除，這樣強限制性的鏈表，就是咱們所說的隊列。

也就是說，隊列（queue）是限定在表的一端進行插入，表的另外一端進行刪除的數據結構。

以下圖所示，假如你去買票排隊，每一列隊伍都有一個隊尾和對頭，先來的先買票，後來的後買，買好的就從對頭出去，新來買票的就須要從隊尾繼續排隊。

一般，稱進數據的一端爲 隊尾，出數據的一端爲 隊頭，數據元素進隊列的過程稱爲 入隊，出隊列的過程稱爲 出隊。

ID：技術讓夢想更偉大

做者:李肖遙

咱們能夠總結以下：

隊列是一個線性的數據結構，而且這個數據結構只容許在一端進行插入，另外一端進行刪除，禁止直接訪問除這兩端之外的一切數據，且隊列是一個先進先出的數據結構。

如上圖，隊列就像一個兩端相通的水管，只容許一端插入，另外一端取出，取出的球就不在水管裏面了，而先放入管中的球就會先從管中拿出。

隊列存儲結構的實現有如下兩種方式：

（1）順序隊列：在順序表的基礎上實現的隊列結構

（2）鏈隊列：在鏈表的基礎上實現的隊列結構

二者的區別僅是順序表和鏈表的區別，即在實際的物理空間中，數據集中存儲的隊列是順序隊列，分散存儲的隊列是鏈隊列。

隊列的結點設計與初始化

隊列只有鏈式的設計方法，其自己分爲多種隊列，如順序隊列和循環隊列，還有衍生的優先隊列等等，咱們以順序隊列的設計爲例。

首先是隊列的結點設計，咱們能夠設計出兩個結構體，一個結構體Node表示結點，其中包含有一個data域和next指針，如圖所示：

其中data表示數據，其能夠是簡單的類型，也能夠是複雜的結構體。

next指針表示，下一個的指針，其指向下一個結點，經過next指針將各個結點連接。

而後咱們再添加一個結構體，其包括了兩個分別永遠指向隊列的隊尾和隊頭的指針，看到這裏是否是以爲和棧很像？

咱們主要的操做只對這兩個指針進行操做，如圖所示：

其結構體設計的代碼能夠表示爲：

對於初始化須要初始化兩個類型，一個是初始化結點，一個是初始化隊列。

咱們看到代碼中的描述，初始化隊列有些不一樣，當初始化隊列的時候，須要將頭尾兩個結點指向的內容通通置爲空，表示是一個空隊列，兩個建立的函數代碼能夠表示爲：

判斷隊列是否爲空

這是一個既簡單也很要緊的操做，判斷隊列是否爲空直接就是判斷隊列頭指針是不是空值便可，判斷隊列是否爲空是比較經常使用的操做，切勿忘記。

其代碼能夠表示爲：

或者直接利用返回值進行更簡單的判斷也能夠，代碼以下：

入隊操做

入隊操做變化以下圖:

進行入隊（push）操做的時候，一樣的，咱們首先須要特判隊列是否爲空，若是隊列爲空的話，須要將頭指針和尾指針一同指向第一個結點，代碼以下

如圖所示：

當若是隊列不爲空的時候，這時咱們只須要將尾結點向後移動，經過不斷移動next指針指向新的結點構成隊列便可。如圖所示：

其代碼能夠表示爲：

出隊操做

出隊操做變化以下圖:

出隊（pop）操做，是指在隊列不爲空的狀況下進行的一個判斷，固然咱們在此也必定要進行隊列判空的操做，你懂的。

如圖，若是隊列只有一個元素了，也就是說頭尾指針均指向了同一個結點，那麼咱們直接將頭尾兩指針制空NULL，並釋放這一個結點便可，以下圖所示：

當隊列含有以上個元素時，咱們須要將隊列的頭指針指向頭指針當前指向的下一個元素，並釋放掉當前元素便可，以下圖所示

其代碼能夠表示爲：

打印隊列元素（遍歷）

打印隊列的所有元素能夠幫助咱們調試，看到隊列中具體的數據，在隊列不爲空的狀況下，經過結點的next指向依次遍歷並輸出元素既可。

其代碼能夠表示爲

遍歷操做還有不少別的表示方法，好比說進行計算隊列中含有多少元素，代碼以下：

順序隊列的假溢出

什麼是假溢出？咱們可能會有疑問，溢出還有假的！

這裏咱們也須要考慮到順序隊列有什麼缺點，對於順序隊列而言，其存在已經足夠解決大多時候的設計問題了，可是其依舊存在一些缺陷和不足。

從上面的解析中咱們看到，入隊和出隊操做均是直接在其後面進行結點的連接和刪除，這種操做會形成其使用空間不斷向出隊的那一邊偏移，產生假溢出。

咱們來打打一個比方，先看看下面的圖：

示例順序隊列

上圖所示，有一個順序隊列，這個隊列的大小爲5，其已經包含了四個元素data1,data2,data3,data4。

接着，咱們對這個隊列進行出隊操做，出隊2個元素，隊列就變成了這個樣子，以下圖所示：

從圖上看到彷佛沒有什麼問題，可是當咱們接着再進行入隊操做，好比咱們入隊2個元素，分別是data5和data6。

此時咱們已經發現問題了，尾指針移動到咱們能夠進行隊列操做的範圍以外去了，有沒有發現？

這種現象咱們稱呼做爲隊列用的存儲區尚未滿，但隊列卻發生了溢出，咱們把這種現象稱爲假溢出。以下圖所示：

出隊產生假溢出

那麼咱們有什麼辦法解決這個問題呢？這就要涉及到循環隊列的性質了！

循環隊列的概念

可能這個時候會產生一個疑問，咱們學習的隊列不是使用鏈表實現的動態隊列麼？

沒有空間的時候會開闢空間，這難道還會產生假溢出麼？

的確，當進行動態建立隊列的時候，也只不過是向後繼續不斷的申請內存空間；

即便前面出隊操做釋放掉了前面的空間，可是指針依舊會向後進行移動，直到達到系統預留給程序的內存上界被強行終止；

這對於極爲頻繁的隊列操做和程序而言是致命的，這時候，就須要對咱們的隊列進行優化，使用更爲優秀的結構——循環隊列。

循環隊列就是將隊列存儲空間的最後一個位置轉而繞到第一個位置，造成邏輯上的環狀空間，以此來供隊列循環使用，以下圖。

循環隊列就是給定咱們隊列的大小範圍，在原有隊列的基礎上，只要隊列的後方滿了，就從這個隊列的前面開始進行插入，以達到重複利用空間的效果；

因爲循環隊列的設計思惟更像一個環，所以常使用一個環圖來表示，但咱們須要注意，實際上循環隊列不是一個真正的環，它依舊是單線性的。

循環隊列的結構設計

因爲循環對列給定了數據範圍的大小，因此不須要使用鏈式的動態建立方法了。

由於若是使用鏈式存儲，會沒法肯定什麼時候再回到隊頭進行插入操做，因此咱們採用模擬的方法，如圖所示：

其中，data表示一個數據域，int爲類型，其能夠修改成任意自定義的類型，好比說簡單的char,float類型等等，也能夠是複雜的結構體類型。

（1）maxsize表示循環隊列的最大容納量，其表示隊列的所有可操做空間。

（2）rear表明尾指針，入隊時移動。

（3）front表明頭指針，出隊時移動。

其代碼能夠表示爲：

循環隊列的初始化

循環隊列的初始化核心就在於申請空間，而且將front指針和rear指針內容賦值爲0，即指向第0個元素便可，這裏要注意第 0個元素內容爲空，以下圖所示：

其代碼能夠表示爲：

入隊操做

入隊操做同順序隊列的方法，直接將rear向後移動便可。

可是要注意判斷，若是rear達到了隊列的空間上線，將要從頭繼續開始移動。

這裏推薦使用餘數法，即不管如何求餘都是在這片空間內進行操做，防止一次錯誤執行就直接總體崩潰，並且也相對而言更爲簡潔，不推薦使用if語句，這樣顯得比較累贅。

入隊操做

注意進行加一移動位置操做的時候，不能直接q->rear++這樣的操做，這樣計算機判斷優先級會產生讓本身意想不到的後果。

此外這裏還須要進行一次是否隊列已滿的判斷，當咱們rear指針的下一個位置就是front的位置的時候，即改循環隊列已滿。

如圖：

出隊操做

若是順序隊列的出隊操做，直接將front進行後移一位便可。

這裏上面不少地方都提過了，有一個須要留意的地方，即隊列是否爲空，當隊列爲空的時候是沒法進行出隊操做的。

其代碼能夠表示爲：

遍歷操做

遍歷操做須要藉助一個臨時變量儲存位置front的位置信息，利用i逐步向後移動，直到i到達了rear的位置便可宣告遍歷的結束。

關於隊列的總結

請牢記這句話：隊列是一個先進先出的數據結構。

今天隊列基礎就講到這裏，下一期，咱們再見！

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