链式队列(Linked Queue)

Posted 2020-07-16 Cainv89

链式队列(Linked Queue)

1. 链式队列的概念

1.1 链式队列的定义

• 链式队列是基于链表的存储表示实现的队列。

1.2 链式队列中各元素的逻辑及存储关系

• 链式队列可以采用单链表作为其存储表示，因此，可以在链式队列的声明中用单链表定义它的存储空间。
• 链式队列的队头指针指向单链表的第一个结点，队尾指针指向单链表的最后一个结点。
• 注：链式队列的队头元素存放在单链表的第一个结点内，若要从队列中退出一个元素，必须从单链表中删去第一个结点，而存放着新元素的结点应插在队列的队尾，即单链表的最后一个结点后面，这个新节点将成为新的队尾。

1.3 链式队列的特点

• 用单链表表示的链式队列特别适合于数据元素变动比较大的情况，而且不存在队列满而产生溢出的情况。
• 若程序中要使用多个队列，与多个栈的情形一样，用链接表示不仅能够提高效率，还可以达到共享存储空间的目的。
• 使用链式队列不会出现存储分配不合理的问题，也不需要进行存储的移动，

2. 链式队列的实现

2.1 链表结点结构的定义

• 文件：LinkNode.h

  
  #ifndef LINK_NODE_H_
  
  
  #define LINK_NODE_H_
  
  
  
  #include <iostream>
  
  
  #include <string>
  
  
  #include <strstream>
  
  
  using namespace std;
  
  template <class T>
  struct LinkNode         //链表结点类的定义
  {
      T data;             //数据域
      LinkNode<T> *link;  //指针域——后继指针
      //仅初始化指针成员的构造函数
      LinkNode(LinkNode<T>* ptr = NULL){ link = ptr; }
      //初始化数据与指针成员的构造函数
      LinkNode(const T& value, LinkNode<T>* ptr = NULL){ data = value; link = ptr; }
  };
  
  
  #endif /* LINK_NODE_H_ */
  

2.2 队列基类的定义

• 文件：Queue.h

  
  #ifndef QUEUE_H_
  
  
  #define QUEUE_H_
  
  
  template <class T>
  class Queue
  {
  public:
      Queue(){}                               //构造函数
      virtual ~Queue(){}                      //析构函数
  public:
      virtual bool EnQueue(const T& x) = 0;       //新元素x入队
      virtual bool DeQueue(T& x) = 0;             //队头元素出队，并将该元素的值保存至x
      virtual bool getFront(T& x) const = 0;      //读取队头元素，并将该元素的值保存至x
      virtual bool IsEmpty() const = 0;           //判断队列是否为空
      virtual bool IsFull() const = 0;            //判断队列是否为满
      virtual int getSize() const = 0;            //计算队列中元素个数
      virtual void MakeEmpty() = 0;               //清空队列的内容
  };
  
  
  #endif /* QUEUE_H_ */
  

2.3 链式队列的类定义及其操作的实现

• 文件：LinkedQueue.h

  
  #ifndef LINKED_QUEUE_H_
  
  
  #define LINKED_QUEUE_H_
  
  
  
  #include "LinkNode.h"
  
  
  #include "Queue.h"
  
  
  template <class T>
  class LinkedQueue : public Queue<T>
  {
  public:
      LinkedQueue();                      //构造函数
      virtual ~LinkedQueue();             //析构函数
  public:
      virtual bool EnQueue(const T& x);       //新元素x入队
      virtual bool DeQueue(T& x);             //队头元素出队，并将该元素的值保存至x
      virtual bool getFront(T& x) const;      //读取队头元素，并将该元素的值保存至x
      virtual bool IsEmpty() const;           //判断队列是否为空
      virtual bool IsFull() const;            //判断队列是否为满
      virtual int getSize() const;            //计算队列中元素个数
      virtual void MakeEmpty();               //清空队列的内容
  public:
      template <class T>
      friend ostream& operator<<(ostream& os, const LinkedQueue<T>& s);   //输出队列中元素的重载操作<<
  private:
      LinkNode<T> *front; //队头指针，即链头指针
      LinkNode<T> *rear;  //队尾指针，即链尾指针
  };
  
  //构造函数
  template <class T>
  LinkedQueue<T>::LinkedQueue()
  : front(NULL), rear(NULL)
  {
      cout << "$ 执行构造函数" << endl;
  }                       
  
  //析构函数
  template <class T>
  LinkedQueue<T>::~LinkedQueue()
  {
      cout << "$ 执行析构函数" << endl;
      MakeEmpty();
  }   
  
  //新元素x入队
  template <class T>
  bool LinkedQueue<T>::EnQueue(const T& x)
  {
      LinkNode<T> *newNode = new LinkNode<T>(x);
      if (NULL == newNode)
      {
          return false;
      }
  
      if (NULL == front)
      {
          front = newNode;
          rear = newNode;
      }
      else
      {
          rear->link = newNode;
          rear = rear->link;
      }
      return true;
  }
  
  //队头元素出队，并将该元素的值保存至x
  template <class T>
  bool LinkedQueue<T>::DeQueue(T& x)
  {
      if (true == IsEmpty())
      {
          return false;
      }
      LinkNode<T> *curNode = front;
      front = front->link;
      x = curNode->data;
      delete curNode;
      return true;
  }
  
  //读取队头元素，并将该元素的值保存至x
  template <class T>
  bool LinkedQueue<T>::getFront(T& x) const
  {
      if (true == IsEmpty())
      {
          return false;
      }
      x = front->data;
      return true;
  }
  
  //判断队列是否为空
  template <class T>
  bool LinkedQueue<T>::IsEmpty() const
  {
      return (NULL == front) ? true : false;
  }
  
  //判断队列是否为满
  template <class T>
  bool LinkedQueue<T>::IsFull() const
  {
      return false;
  }
  
  //计算队列中元素个数
  template <class T>
  int LinkedQueue<T>::getSize() const
  {
      int count = 0;
      LinkNode<T> *curNode = front;
      while (NULL != curNode)
      {
          curNode = curNode->link;
          count++;
      }
      return count;
  }
  
  //清空队列的内容
  template <class T>
  void LinkedQueue<T>::MakeEmpty()
  {
      LinkNode<T> *curNode = NULL;
      while (NULL != front)           //当链表不为空时，删去链表中所有结点
      {
          curNode = front;            //保存被删结点
          front = curNode->link;      //被删结点的下一个结点成为头结点
          delete curNode;             //从链表上摘下被删结点
      }
  }
  
  //输出队列中元素的重载操作<<
  template <class T>
  ostream& operator<<(ostream& os, const LinkedQueue<T>& s)
  {
      int i = 0;
      LinkNode<T> *curNode = s.front;
      while (NULL != curNode)
      {
          os << "[" << i++ << "]" << " : " << curNode->data << endl;
          curNode = curNode->link;
      }
      return os;
  }
  
  
  #endif /* LINKED_QUEUE_H_ */
  

2.4 主函数(main函数)的实现

• 文件：main.cpp

  
  #include "LinkedQueue.h"
  
  
  
  #define EXIT 0              //退出
  
  
  #define ENQUEUE 1           //新元素x入队
  
  
  #define DEQUEUE  2          //队头元素出队，并将该元素的值保存至x
  
  
  #define GETFRONT 3          //读取队头元素，并将该元素的值保存至x
  
  
  #define ISEMPTY  4          //判断队列是否为空
  
  
  #define ISFULL 5            //判断队列是否为满
  
  
  #define GETSIZE 6           //计算队列中元素个数
  
  
  #define MAKEEMPTY 7         //清空队列的内容
  
  
  #define OPERATOR_OSTREAM 8  //输出队列元素的重载操作<<
  
  
  void print_description()
  {
      cout << "------------------------------>链式队列<------------------------------" << endl;
      cout << "功能选项说明：" << endl;
      cout << "#0： 退出" << endl;
      cout << "#1： 新元素x入队" << endl;
      cout << "#2： 队头元素出队，并将该元素的值保存至x" << endl;
      cout << "#3： 读取队头元素，并将该元素的值保存至x" << endl;
      cout << "#4： 判断队列是否为空" << endl;
      cout << "#5： 判断队列是否为满" << endl;
      cout << "#6： 计算队列中元素个数" << endl;
      cout << "#7： 清空队列的内容" << endl;
      cout << "#8： 输出队列元素的重载操作<<" << endl;
      cout << "--------------------------------------------------------------------" << endl;
  }
  
  //判断输入的字符串每个字符是否都是数值0~9
  bool IsNumber(const string& s_num)
  {
      for (size_t i = 0; i < s_num.size(); i++)
      {
          if ((s_num[i] < ‘0‘) || (s_num[i] > ‘9‘))
          {
              return false;
          }
      }
      return true;
  }
  
  //类型转换——将string型转为模板类型T
  template <class T>
  T StrToTtype(const string& s_num)
  {
      T n_num;
      strstream ss_num;
      ss_num << s_num;
      ss_num >> n_num;
      return n_num;
  }
  
  //输入数据值
  template <class T>
  T get_data()
  {
      cout << "> 请输入数据值，data = ";
      string s_data;
      cin >> s_data;
      return StrToTtype<T>(s_data);
  }
  
  //输入数组的最大长度
  template <class T>
  int get_maxsize()
  {
      cout << "> 请输入数组的最大长度，maxsize = ";
      string s_maxsize;
      cin >> s_maxsize;
      while (false == IsNumber(s_maxsize))
      {
          cout << "* 输入有误，请重新输入：";
          cin >> s_maxsize;
      }
      return atoi(s_maxsize.c_str());
  }
  
  //构造链式队列
  template <class T>
  LinkedQueue<T>* construct_linkedqueue()
  {
      cout << "\n==> 创建链式队列" << endl;
      LinkedQueue<T> *linkedQueue = new LinkedQueue<T>;
      return linkedQueue;
  }
  
  //析构链式队列
  template <class T>
  void destory_linkedqueue(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "\n==> 释放链式队列在堆中申请的空间，并将指向该空间的指针变量置为空" << endl;
      delete linkedQueue;
      linkedQueue = NULL;
  }
  
  //新元素x入队
  template <class T>
  void enqueue(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "$ 执行新元素x入队函数" << endl;
      T data = get_data<T>();
      if (false == linkedQueue->EnQueue(data))
      {
          cout << "* 入队失败" << endl;
          return;
      }
      cout << "* 入队成功，data = " << data << endl;
  }
  
  //队头元素出队，并将该元素的值保存至x
  template <class T>
  void dequeue(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "$ 执行队头元素出队并将该元素的值保存至x函数" << endl;
      T data;
      if (false == linkedQueue->DeQueue(data))
      {
          cout << "* 出队失败" << endl;
          return;
      }
      cout << "* 出队成功，data = " << data << endl;
  }
  
  //读取队头元素，并将该元素的值保存至x
  template <class T>
  void getfront(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "$ 执行读取队头元素并将该元素的值保存至x函数" << endl;
      T data;
      if (false == linkedQueue->getFront(data))
      {
          cout << "* 读取队头元素失败" << endl;
          return;
      }
      cout << "* 读取队头元素成功，data = " << data << endl;
  }
  
  //判断队列是否为空
  template <class T>
  void isempty(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "$ 执行判断队列是否为空函数，IsEmpty = " << linkedQueue->IsEmpty() << endl;
  }
  
  //判断队列是否为满
  template <class T>
  void isfull(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "$ 执行判断队列是否为满函数，IsFull = " << linkedQueue->IsFull() << endl;
  }
  
  //计算队列中元素个数
  template <class T>
  void getsize(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "$ 执行计算队列中元素个数函数，Size = " << linkedQueue->getSize() << endl;
  }
  
  //清空队列的内容
  template <class T>
  void makeempty(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "$ 执行清空队列的内容函数" << endl;
      linkedQueue->MakeEmpty();
  }
  
  //输出队列元素的重载操作<<
  template <class T>
  void operator_ostream(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      cout << "$ 执行输出队列元素的重载操作<<函数" << endl;
      cout << *linkedQueue;//或operator<<(cout, *linkedQueue);
  }
  
  //链式队列操作选择
  template <class T>
  void select_operation(LinkedQueue<T>* linkedQueue)
  {
      if (NULL == linkedQueue)
      {
          cout << "* 没有构造链式队列，请先构造链式队列。" << endl;
          return;
      }
  
      string s_operation;
      while (s_operation != "0")
      {
          cout << "\n==> 请输入功能选项编号(按\"0\"退出程序)：";
          cin >> s_operation;
          while (false == IsNumber(s_operation))
          {
              cout << "* 输入有误，请重新输入：";
              cin >> s_operation;
          }
          int n_operation = atoi(s_operation.c_str());
          switch (n_operation)
          {
          case EXIT://退出
          {
              cout << "$ 退出程序" << endl;
              break;
          }
          case ENQUEUE://新元素x入队
          {
              enqueue(linkedQueue);
              break;
          }
          case DEQUEUE://队头元素出队，并将该元素的值保存至x
          {
              dequeue(linkedQueue);
              break;
          }
          case GETFRONT://读取队头元素，并将该元素的值保存至x
          {
              getfront(linkedQueue);
              break;
          }
          case ISEMPTY://判断队列是否为空
          {
              isempty(linkedQueue);
              break;
          }
          case ISFULL://判断队列是否为满
          {
              isfull(linkedQueue);
              break;
          }
          case GETSIZE://计算队列元素个数
          {
              getsize(linkedQueue);
              break;
          }
          case MAKEEMPTY://清空队列的内容
          {
              makeempty(linkedQueue);
              break;
          }
          case OPERATOR_OSTREAM://输出队列元素的重载操作<<
          {
              operator_ostream(linkedQueue);
              break;
          }
          default:
          {
              cout << "* 请输入正确的功能选项编号" << endl;
              break;
          }
          }
      }
  }
  
  int main(int argc, char* argv[])
  {
      print_description();
      LinkedQueue<int> *linkedQueue = construct_linkedqueue<int>();
      select_operation(linkedQueue);
      destory_linkedqueue(linkedQueue);
      system("pause");
      return 0;
  }

---

参考文献：
[1]《数据结构(用面向对象方法与C++语言描述)(第2版)》殷人昆——第三章
[2]《C/C++常用算法手册》秦姣华、向旭宇——第二章
[3]?百度搜索关键字：链式队列