C++实现数据结构——队列

这里只讨论队列的链式实现，即链式队列(Linked Queue)

基本概念

链式队列是一种基于链表实现的队列数据结构，它使用链表节点来存储数据元素，并通过指针连接这些节点来形成队列结构。与顺序队列（数组实现）相比，链式队列的主要特点是不需要预先分配固定大小的存储空间，可以动态地增长和缩减。

结构组成

链式队列通常由以下两个部分组成：

队首指针(front)：指向队列的第一个元素（即将被移除的元素） 队尾指针(rear)：指向队列的最后一个元素（最新添加的元素）

每个节点包含：

数据域：存储实际的数据 指针域：指向下一个节点的指针

优缺点分析

优点：

动态大小：不需要预先指定队列大小，可以动态增长 无空间浪费：不会出现顺序队列中的"假溢出"问题 内存利用率高：只在使用时分配内存

缺点：

每个节点需要额外的指针空间 操作稍慢：需要动态内存分配和释放 内存不连续：可能导致缓存不友好

应用场景

链式队列适合以下情况：

无法预估队列最大长度的场景 内存碎片化严重的环境 需要频繁插入删除且队列大小变化大的场合

例如：

操作系统中的进程调度队列 网络数据包缓冲队列 打印机任务队列

时间复杂度分析
操作 时间复杂度
入队 O(1)
出队 O(1)
检查空 O(1)
变体与扩展

双向链式队列：可以在两端进行插入和删除操作 优先队列：结合优先级的链式队列实现 循环链式队列：最后一个节点指向第一个节点，形成循环

实现注意事项

内存管理：确保正确释放出队节点的内存 边界条件：特别注意空队列和只有一个元素的情况 线程安全：在多线程环境中使用时需要添加同步机制

LinkedQueue.cpp实现

#include <iostream> #include <stdexcept> // For std::underflow_error template <typename T> class Node { public: T value; Node* next; Node(T val) : value(val), next(nullptr) {} }; template <typename T> class Queue { private: Node<T>* front; // 指向队列首部的指针 Node<T>* rear; // 指向队列尾部的指针 int count; // 队列中的元素数量 public: Queue() : front(nullptr), rear(nullptr), count(0) {} ~Queue() { clear(); } // 析构函数，释放所有节点内存 void push(const T& value) { // 在队尾添加元素 Node<T>* newNode = new Node<T>(value); if (rear == nullptr) { // 如果队列为空，则新节点既是头部也是尾部 front = rear = newNode; } else { // 如果队列不为空，将新节点添加到尾部，并更新尾部指针 rear->next = newNode; rear = newNode; } count++; // 增加计数器 } void pop() { // 从队首移除元素，如果队列为空则抛出异常 if (empty()) throw std::underflow_error("Queue is empty"); // 检查队列是否为空并抛出异常（可选） Node<T>* temp = front; // 保存当前队首节点的指针以便释放内存 front = front->next; // 更新队首指针到下一个节点 if (front == nullptr) rear = nullptr; // 如果队列变为空，更新尾部指针为nullptr delete temp; // 释放原队首节点的内存 count--; // 减少计数器 } T& front() { // 获取队首元素但不移除（引用返回） if (empty()) throw std::underflow_error("Queue is empty"); // 检查队列是否为空并抛出异常（可选） return front->value; // 返回队首节点的值引用（注意：不检查是否为nullptr，因为已经在pop中做了检查） } bool empty() const { return count == 0; } // 检查队列是否为空 int size() const { return count; } // 获取队列的大小（元素数量） void clear() { // 清空队列，释放所有节点内存（可选） while (!empty()) { pop(); } // 清空队列直到为空，释放所有节点内存（可选） } };

main.cpp测试