西风的数据结构教程（2）——队列

队列是一种简单的先进先出结构，各种需要排队的事情，都可以开一个队列来完成。
利用链表或数组，都能实现队列，不过最大的区别就是，数组的扩展比较困难，而链表较为容易，但链表资源消耗稍多。

数据结构的不同导致了队列的实现也不相同，链表上次已经实现过了，只需简单包装即可使用，这里，我们介绍简单的用数组模拟队列的方式：

这个队列是固定长度的一个数组构建的，另外保存两个int数字，负责记录数组的下标索引。

我们下面就来编写一下这个队列，还是使用C语言，在此，我会继续介绍C语言的基础知识。

队列实现

复习一下上次的知识，C语言定义基本结构和宏定义，我们也先对队列进行必要的定义

/* queue.h */
#ifndef QUEUE_H
#define QUEUE_H

#include "malloc.h"

typedef char bool;
typedef int QueueElementType;
#define QueueSize 200

typedef struct _queue
{
    int head, tail;
    QueueElementType data_array[QueueSize];
} queue;

#endif // QUEUE_H

注意这里，我们提前设置了队列的长度，对于不知道队列具体应该多长的问题，可能并不大合适，不过过后我们会介绍如何计算队列需要的最大长度。

依旧是定义四个函数：

/* 队列的构造函数 */
queue* QueueCreate(); 

/* 从结尾压入元素 */
void QueuePush(queue* q, QueueElementType data);

/* 从头部弹出元素 */
QueueElementType QueuePop(queue* q);

/* 判断队列是否为空 */
bool QueueIsEmpty(queue* q);

比较简单的构造函数和判断函数这里直接给出，注意初始化的条件是头尾指针皆为0：

queue* QueueCreate() {
    queue* q = (queue*) malloc(sizeof(queue));
    q->head = 0;
    q->tail = 0; 
    return q;
}

bool QueueIsEmpty(queue* q) {
    return q->head == q->tail;
}

至于压入弹出也很简单，但需要注意的是，为了减少内存消耗，我们希望这个队列是循环队列。
（PS. 当年的唐山一中TSOI，有一句经典搞笑语录，“队列是先进先出的，循环队列是进进出出的。” 哎，跑题了，大家无视无视。)

至于什么是循环队列，大家请看下面这张图：

恩，通过模运算就让队列循环运动，很方便的设计，不过还是要注意，永远不要让tail追上head，那时，队列就溢出了。
所以，我们的操作函数Push和Pop是这样的：

void QueuePush(queue* q, QueueElementType data) {
    q->data_array[ q->tail ] = data;
    q->tail = ++(q->tail) % QueueSize;
}


QueueElementType QueuePop(queue* q) {
    if (QueueIsEmpty(q)) return (QueueElementType)NULL;
    QueueElementType data = q->data_array[ q->head ];
    q->head = ++(q->head) % QueueSize;
    return data;
}

队列的使用当然十分简单，只需要操作这四个函数即可：

#include <stdio.h>
#include "queue.h"

queue* q = NULL;
int main() {
    q = QueueCreate();
    QueuePush(q, 10);
    QueuePush(q, 20);
    QueuePush(q, 30);

    printf("%d\n", QueuePop(q));
    printf("%d\n", QueuePop(q));
    printf("%d\n", QueuePop(q));
    return 0;
}

完整的代码详见附录，这里就不再具体多说了。

队列的应用

说了队列的写法，那么应该介绍一下，队列都有哪些用途。广搜问题，是让我最早认识队列的问题，这里就给大家举一个迷路小孩回家问题吧= =，画着X的地方表示无法通行，给他找一条可行的路径。

开一个队列，记录已经走的步数和当前的位置，然后根据地图结构，每次看队列新弹出的元素的位置，分别向四个方向搜索，如果已经搜索过的就不要找了，整个搜索过程就像漫水一样，这样就能找到可行的路径了。
怎么样，这就是搜索问题中经典的广度优先遍历，是不是也很简单呢？