C++中队列的建立与操作详细解析

什么是队列结构

队列结构是从数据运算来分类的，也就是说队列结构具有特殊的运算规则。而从数据的逻辑结构来看，队列结构其实就是一种线性结构。如果从数据的存储结构来进一步划分，队列结构可以分成两类。

顺序队列结构：即使用一组地址连续的内存单元依次保存队列中的数据。在程序中，可以定义一个指定大小的结构数组来作为队列。

链式队列结构：即使用链表形式保存队列中各元素的值。

在队列结构中允许对两端进行操作，但是两端的操作不同。在表的一端只能进行删除操作，称为队头；在表的另一端只能进行插入操作，称为队尾。如果队列中没有数据元素，则称之为空队列。从数据的运算角度分析，队列是按照“先进先出”的原则处理结点的。

可以将队列结构理解成是：超市排队结账的人群，排在队首的人先结账，然后不断会有人排在队尾等待结账，这就是一个先来先服务的队列的现实中的例子。

一般队列结构的基本操作只有两个：

入队列：将一个元素添加到队尾（相当于到队列最后排队等待）

出队列：将对头的元素取出，同时删除该元素，使后一个元素成为队头。

初次之外，还有初始化队列、获取队列长度的简单运算。下面，我们就是用C++建立顺序队列结构，并完成顺序队列结构的基本运算。
准备数据

准备数据就是定义在队列操作中需要用到的变量及数据结构等。


代码如下:

struct DATA{
 string name;
 int age;
};
struct SQType
{
 DATA data[QUEUELEN];   //队列数组
 int head;      //队头
 int tail;      //队尾
};

这里，定义了队列结构的最大长度QUEUELEN ,队列结构数据元素的类型DATA以及队列结构的数据结构SQType。在数据结构SQType中，data为数据元素，head为队首的序号，tail为队尾的序号。当head=0时表示队列为空，当tail=QUEUELEN时表示队列满。

初始化队列数据

顺序队列的初始化操作步骤如下：

（1）按符号常量QUEUELEN指定的大小申请一段内存空间，用来保存队列中的数据。

（2）设置head=0和tail=0，表示一个空栈。

示例代码如下：


代码如下:

SQType *SQTypeInit()
{
 SQType * q;
 if(q=new SQType)    //申请队列的内存空间
 {
  q->head=0;     //设置队首 
  q->tail=0;     //设置队尾
  return q;
 }
 else
 {
  return NULL;    //返回空
 }
}

首先使用new申请内存，申请成功以后设置队头和队尾，然后返回申请内存的首地址，如果申请失败则返回NULL。

判断空队列

判断空队列是判断一个队列结构是否为空。如果是空队列，则表示该队列结构中国没有数据。此时可以进入如队列操作，不可以进行出队列操作。

示例代码如下：


代码如下:

int SQTypeIsEmpty(SQType *q)
{
 return(q->head==q->tail);
}

输入参数q为一个指向操作的队列的指针。程序中，根据队列head是否等于tail判断队列是否为空。

判断满队列

判断满队列就是判断一个队列结构是否为满。如果是满队列，则表示该队列中没有多余的空间来保存额外数据。测试不可以进行入队列操作，可以进行出队列操作。

示例代码如下：


代码如下:

int SQTypeIsFull(SQType *q)
{
 return(q->tail==QUEUELEN)
}

输入参数q为一个指向操作的队列的指针。程序中，根据队列tail是否等于队列的最大值QUEUELEN判断队列是否是满的。

清空队列

清空队列就是清楚一个队列中的所有的数据。示例代码如下：


代码如下:

void SQTypeClear(SQType *q)
{
 q->head=0;
 q->tail=0;
}

将队列顶指针head和尾指针tail设置为0，表示执行清空操作。

释放空间

释放空间是释放队列结构所占用的内存单元。由前面可知，在初始化队列结构时，使用了new关键字分配内存单元。虽然可以使用清空队列操作，但是清空队列操作并没有释放内存空间，这就需要使用delete关键字释放所占的内存单元。

示例代码如下：


代码如下:

void SQTypeFree(SQType *q)
{
 if(q!=NULL) delete q;
}

程序中，调用了得delete释放new申请的内存空间。

入队列

入队列是队列结构的基本操作，主要操作是将数据元素保存到队列结构。入队列操作的具体步骤如下：

（1）首先判断队尾，如果tail等于QUEUELEN，则表示溢出，进行出错处理。否则执行以下操作。

（2）设置tail=tail+1（队列顶指针加1，指向入队列地址）

（3）就将入队列元素保存到tail指向的位置

示例代码如下：


代码如下:

int InSQType(SQType *q,DATA data)
{
 if(q->tail==QUEUELEN)
 {
  cout<<"队列已满！操作失败！"<<endl;
  return 0;
 }else
 {
  q-data[q->tail++]=data;      //将元素入队列
  return 1; 
 } 
}

输入参数q为指向操作的队列的指针，输入参数data为需要入队列的数据元素。程序中首先判断队列是否溢出，如果溢出则不进行入队列操作，否则修改队列顶指针的值，再将元素入队列。

因为tail的值从0开始，当前的值就是要插入的数组对应的元素的位置，所以写成q->tail++。

出队列

出队列是队列结构的基本操作，主要操作与入队列相反，其实从队列顶弹出一个数据元素。出队列操作的具体步骤如下：

（1）首先判断队首head，如果head等于tail，则表示为空队列，进行出错处理。否则，执行下面的步骤

（2）从队列首部取出队头元素（实际返回队头元素的指针）

（3）修改队首head的序号，使其指向后一个元素。
示例代码如下：


代码如下:

DATA *OutSQType(SQType *q)
{
 if(q->tail==q->head)
 {
  cout<<"队列已空！操作失败！"<<endl;
  exit(0);  
 }else
 {
  return &(q->data[q->head++]);
 }
}

输入参数q为指向操作的队列的指针。该函数返回值是一个DATA类型的数据，返回值是指向该数据元素的指针。

读结点数据

读结点数据也就是读取队列结构中结点的数据，这里的读操作其实就是读队列头的数据。需要助于的是，读结点数据的操作和出队列操作不同。读结点数据的操作仅是显示队列顶结点数据的内容，而出队列操作则将队列顶数据弹出，该数据不再存在。

示例代码如下：


代码如下:

DATA * PeekSQType(SQType *q)
{
 if(SQTypeIsEmpty(q))
 {
  cout<<"空队列"<<endl;
  return NULL; 
 }else
 {
  return &(q->data[q->head]);
 }

}

该函数返回值同样是一个DATA类型的指针数据，返回值是指向数据元素的指针。

计算队列长度

计算队列长度就是统计该队列中数据结点的个数。计算队列长度的方法比较简单，直接队尾序号减去队首序号即可。

示例代码如下：


代码如下:

int SQTypeLen(SQType *q)
{
 return(q->tail-q->head); 
}

队列结构操作实例代码：

完整的代码会比较长，不过函数部分和上面介绍的基本一致，主要是看main函数中这些函数的用法：


代码如下:

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
#define QUEUELEN 10
struct DATA{
 string name;
 int age;
};
struct SQType
{
 DATA data[QUEUELEN];   //队列数组
 int head;      //队头
 int tail;      //队尾
};
/*******************队列的初始化*************************/
SQType *SQTypeInit()
{
 SQType * q;
 if(q=new SQType)    //申请队列的内存空间
 {
  q->head=0;     //设置队首 
  q->tail=0;     //设置队尾
  return q;
 }
 else
 {
  return NULL;    //返回空
 }
}
/*******************判断空队列*************************/
int SQTypeIsEmpty(SQType *q)
{
 return(q->head==q->tail);
}
/*******************判断满队列*************************/
int SQTypeIsFull(SQType *q)
{
 return(q->tail==QUEUELEN);
}
/*******************清空队列*************************/
void SQTypeClear(SQType *q)
{
 q->head=0;
 q->tail=0;
}
/*******************释放空间*************************/
void SQTypeFree(SQType *q)
{
 if(q!=NULL) delete q;
}
/*******************入队列操作*************************/
int InSQType(SQType *q,DATA data)
{
 if(q->tail==QUEUELEN)
 {
  cout<<"队列已满！操作失败！"<<endl;
  return 0;
 }else
 {
  q->data[q->tail++]=data;      //将元素入队列
  return 1; 
 } 
}
/*******************出队列操作*************************/
DATA *OutSQType(SQType *q)
{
 if(q->tail==q->head)
 {
  return NULL;  
 }else
 {
  return &(q->data[q->head++]);
 }
}
/*******************读结点数据*************************/
DATA * PeekSQType(SQType *q)
{
 if(SQTypeIsEmpty(q))
 {
  cout<<"空队列"<<endl;
  return NULL; 
 }else
 {
  return &(q->data[q->head]);
 }

}
/*******************计算队列长度*************************/
int SQTypeLen(SQType *q)
{
 return(q->tail-q->head); 
}
/*********************主函数******************************/
int main()
{
 SQType *stack;
 DATA data,*p;
 stack=SQTypeInit();     //执行初始化操作
 cout<<"执行入队列操作："<<endl;
 cout<<"输入姓名,年龄进行入队操作："<<endl;
 while(1)
 {
  cin>>data.name>>data.age;
  if(data.age==0)
  {
   break;      //若输入为0，则退出
  }
  else
  {
   InSQType(stack,data); 
  } 
 }
 cout<<"进行出栈操作："<<endl;
 p=OutSQType(stack);
 cout<<p->name<<","<<p->age<<endl;
 cout<<"读取首结点数据："<<endl;
 p=PeekSQType(stack);
 cout<<p->name<<","<<p->age<<endl;
 cout<<"执行出栈操作："<<endl;
 while(1)
 {
  if(SQTypeIsEmpty(stack))
  {
   cout<<"所有数据出栈完毕，栈为空！"<<endl;
   break;
  }else
  {
   p=OutSQType(stack);
   cout<<p->name<<","<<p->age<<endl;
  } 
 }
 SQTypeFree(stack);
 return 0;
}

程序运行界面：