如何用 C 实现队列的程序代码

队列是一种数据结构，它遵循先进先出（FIFO）的原则。在C语言中实现队列的程序代码要点包括使用数组或链表存储队列元素、实现基础操作如入队Enqueue、出队Dequeue、查看队首元素Peek、以及检查队列是否为空IsEmpy。在使用数组实现队列时，需要两个指针标示队列的头部和尾部，对队列的操作需要对这两个指针进行更新。在使用链表实现队列时，我们通常保持对头节点和尾节点的引用以便于进行入队和出队操作。

以下将展开介绍如何用C语言分别通过数组和链表来实现队列。

一、使用数组实现队列

数组实现的队列有一个不可避免的问题就是队列的容量是固定的。为了避开这个问题，有时会使用循环数组来实现一个可以循环使用的队列。

初始化队列

首先，定义一个队列结构体，其中包含一个数组、一个头部指标和尾部指标，还有队列的最大容量。

typedef struct {
    int *array;
    int front; // 队头指标
    int rear; // 队尾指标
    int capacity; // 队列容量
} Queue;

初始化队列的函数需要分配数组的存储空间，并设置头部和尾部指标的初始值。

Queue* createQueue(int capacity) {
    Queue *queue = (Queue *)malloc(sizeof(Queue));
    if (!queue) 
        return NULL;
    queue->capacity = capacity;
    queue->front = queue->rear = 0;
    queue->array = (int *)malloc(queue->capacity * sizeof(int));
    if (!queue->array) 
        return NULL;
    return queue;
}

入队（Enqueue）

入队操作将一个元素添加到队列的尾部。如果队列未满，则将元素插入到尾部指标的位置，并更新尾部指标。

void enqueue(Queue *queue, int item) {
    if (queue->rear == queue->capacity) {
        printf("\nQueue is full");
        return;
    }
    queue->array[queue->rear++] = item;
}

出队（Dequeue）

出队操作将队列头部的元素移除，并更新头部指标。

int dequeue(Queue *queue) {
    if (queue->front == queue->rear) {
        printf("\nQueue is empty");
        return INT_MIN;
    }
    int item = queue->array[queue->front++];
    return item;
}

查看队首元素（Peek）

查看队首元素但不移除它。

int peek(Queue *queue) {
    if (queue->front == queue->rear) {
        printf("\nQueue is empty");
        return INT_MIN;
    }
    return queue->array[queue->front];
}

检查队列是否为空（IsEmpty）

如果队列为空返回1，否则返回0。

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

二、使用链表实现队列

相比数组，链表实现的队列不需要关心容量限制，因为它可以动态地增长和缩减。

初始化队列

链表队列的定义将包括一个指向头节点的指针和尾节点的指针。

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} Node;
typedef struct {
    Node *front;
    Node *rear;
} LinkedListQueue;

创建队列的函数相应地初始化头节点和尾节点为NULL。

LinkedListQueue* createLinkedListQueue() {
    LinkedListQueue *queue = (LinkedListQueue *)malloc(sizeof(LinkedListQueue));
    if (!queue)
        return NULL;
    queue->front = queue->rear = NULL;
    return queue;
}

入队（Enqueue）

入队操作在链表尾部添加一个新的节点，并更新尾节点的指针。

void enqueueLinkedList(LinkedListQueue *queue, int item) {
    Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if (!newNode) {
        printf("\nMemory error");
        return;
    }
    newNode->data = item;
    newNode->next = NULL;
    if (queue->rear == NULL) {
        queue->front = queue->rear = newNode;
        return;
    }
    queue->rear->next = newNode;
    queue->rear = newNode;
}

出队（Dequeue）

出队操作移除链表头部的节点，并更新头节点的指针。

int dequeueLinkedList(LinkedListQueue *queue) {
    if (queue->front == NULL) {
        printf("\nQueue is empty");
        return INT_MIN;
    }
    Node *temp = queue->front;
    int item = temp->data;
    queue->front = queue->front->next;
    if (queue->front == NULL) {
        queue->rear = NULL;
    }
    free(temp);
    return item;
}

查看队首元素（Peek）

查看队首元素但不移除它。

int peekLinkedList(LinkedListQueue *queue) {
    if (queue->front == NULL) {
        printf("\nQueue is empty");
        return INT_MIN;
    }
    return queue->front->data;
}

检查队列是否为空（IsEmpty）

如果队列为空返回1，否则返回0。

int isEmptyLinkedList(LinkedListQueue *queue) {
    return queue->front == NULL;
}

注意：在使用队列的过程中，必须正确管理内存，包括释放不再需要的动态分配的内存，以及防止内存泄露。

三、示例代码和测试

下面是一个简单的示例代码，以及如何测试我们上面实现的队列功能。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <limits.h>
// 队列实现部分代码...
// 测试数组队列
void testArrayQueue() {
    Queue *queue = createQueue(5);
    enqueue(queue, 10);
    enqueue(queue, 20);
    enqueue(queue, 30);
    enqueue(queue, 40);
    printf("Dequeued from array queue: %d\n", dequeue(queue));
    printf("Front item is: %d\n", peek(queue));
    if(isEmpty(queue)) {
        printf("Queue is empty");
    } else {
        printf("Queue is not empty");
    }
    // Free queue...
}
// 测试链表队列
void testLinkedListQueue() {
    LinkedListQueue *queue = createLinkedListQueue();
    enqueueLinkedList(queue, 10);
    enqueueLinkedList(queue, 20);
    enqueueLinkedList(queue, 30);
    enqueueLinkedList(queue, 40);
    printf("Dequeued from linked list queue: %d\n", dequeueLinkedList(queue));
    printf("Front item is: %d\n", peekLinkedList(queue));
    if(isEmptyLinkedList(queue)) {
        printf("Queue is empty");
    } else {
        printf("Queue is not empty");
    }
    // Free queue...
}
int mAIn() {
    testArrayQueue();
    printf("\n");
    testLinkedListQueue();
    return 0;
}