循环队列-CFANZ编程社区

循环队列_数据结构

循环队列_数据结构_02

为了避免当只有一个元素时，队头和队尾重合使得处理变得麻烦，所以引入两个指针front和rear。

front即队头指针指向队头元素，rear即队尾指针指向队尾元素的下一个元素。

这样当front等于rear是，不是队列中有一个元素，而是表示空队列。

循环队列_数据结构_03

假设数组长度为5，空队列即初始状态如图所示，front和rear都指向下标为0的位置。

当队列中有四个元素时，front不变，rear指向下标为4的位置。

循环队列_数据_04

若出队两个元素，front指向下标为2的位置，rear不变，再入队一个元素，front指针不变，但rear指针移动到数组之外。

循环队列_数据_05

假设该队列中数据元素总个数不超过5个，但是目前如果接着入队的话，会导致数组越界的问题。

但是队列在下标为0和1的位置是没有元素的。我们把这个现象叫做"假溢出"。

1. 概念

解决假溢出的办法就是后面满了，再从头开始，也就是头尾相接的循环。我们把队列的这种头尾相接的顺序存储结构称为循环队列。

循环队列_数据_06

此时如果再入列一个元素，会发现rear和front重合了。重合则无法判断其是满还是空。

解决办法：当队列空时，判断条件就是rear == front，当队列满时，我们修改其判断条件，保留一个元素空闲。也就说，当队列满时，数组中还有一个空闲单元。上面这种情况，我们认为队列已经满了。

为了使得满队和空队能够区分出来，必须牺牲一个数组单元，提前定义满队状态；

假设一个队列有n个元素，则顺序存储的队列需要建立一个大于n的数组。

此时一个满队的条件是rear加一，对循环队列长度取余后，等于front则说明其是满队。

(rear+1)%N == front

逻辑结构：线性结构
物理结构：顺序存储结构

2. 接口实现

2.1. 定义操作循环队列的结构体

定长数组
队头指针front
队尾指针rear

// 1. 定义操作循环队列的结构体
#define N 10
typedef int DataType;
typedef struct SeqQueue
{
    DataType data[N];
    int front;
    int rear;
} SQ;

2.2. 创建空的循环队列

循环队列_数据结构_07

// 2. 创建一个空的队列
SQ *SQCreate()
{
    // 2.1 开辟空间存放操作队列的结构体
    SQ *PQ = (SQ *)malloc(sizeof(SQ));
    if (NULL == PQ)
    {
        printf("SQCreate failed, PQ malloc err.\n");
        return NULL;
    }

    // 2.2 初始化结构体成员
    PQ->front = PQ->rear = 0;

    return PQ;
}

#include "SQ.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 2. 创建空的循环队列
    SQ *PQ = SQCreate();
    
    return 0;
}

2.3. 入列

循环队列_数据结构_08

判满
数据入列
移动尾指针

// 3. 数据入列
void SQPush(SQ *PQ, DataType data)
{
    // 3.1 容错判断——判满
    if ((PQ->rear+1)%N == PQ->front)
    {
        printf("SQPush failed, SQ is full.\n");
        return ;
    }

    // 3.2 数据入列
    PQ->data[PQ->rear] = data;

    // 3.3 移动尾指针
    PQ->rear = (PQ->rear + 1) % N;
}

#include "SQ.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 2. 创建空的循环队列
    SQ *PQ = SQCreate();

    SQPush(PQ, 111);
    SQPush(PQ, 222);
    SQPush(PQ, 333);

    return 0;
}

2.4. 出列

循环队列_数据结构_09

容错判断——判空
保存出列数据
移动队头指针
返回出列数据

// 4. 数据出列
DataType SQPop(SQ *PQ)
{
    // 4.1 容错判断——判空
    if (PQ->front == PQ->rear)
    {
        printf("SQPop failed, SQ is empty.\n");
        return -1;
    }

    // 4.2 保存出列数据
    DataType data = PQ->data[PQ->front];

    // 4.3 移动队头指针
    PQ->front = (PQ->front+1)%N;

    // 4.4 返回出列数据
    return data;
}

#include "SQ.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 2. 创建空的循环队列
    SQ *PQ = SQCreate();

    SQPush(PQ, 111);
    SQPush(PQ, 222);
    SQPush(PQ, 333);

    DataType data = SQPop(PQ);
    printf("SQPop data is %d\n", data);
    // SQPop data is 111

    return 0;
}

SQPop data is 111

2.5. 列长

// 5. 列长
int SQLength(SQ *PQ)
{
    return (PQ->rear + N - PQ->front) % N;
}

#include "SQ.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 2. 创建空的循环队列
    SQ *PQ = SQCreate();

    SQPush(PQ, 111);
    SQPush(PQ, 222);
    SQPush(PQ, 333);

    DataType data = SQPop(PQ);
    printf("SQPop data is %d\n", data);
    // SQPop data is 111

    int len = SQLength(PQ);
    printf("SQLength is %d\n", len);
    // SQLength is 2


    return 0;
}

SQPop data is 111
SQLength is 2

2.6. 清空

// 6. 清空
void SQClear(SQ *PQ)
{
    PQ->front = PQ->rear = 0;
}

#include "SQ.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 2. 创建空的循环队列
    SQ *PQ = SQCreate();

    SQPush(PQ, 111);
    SQPush(PQ, 222);
    SQPush(PQ, 333);

    DataType data = SQPop(PQ);
    printf("SQPop data is %d\n", data);
    // SQPop data is 111

    int len = SQLength(PQ);
    printf("SQLength is %d\n", len);
    // SQLength is 2

    SQClear(PQ);

    len = SQLength(PQ);
    printf("SQLength is %d\n", len);
    // SQLength is 0

    free(PQ);
    PQ = NULL;

    return 0;
}

SQPop data is 111
SQLength is 2
SQLength is 0

2.7. 总结

#ifndef _SQ_H_
#define _SQ_H_

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 1. 定义操作循环队列的结构体
#define N 10
typedef int DataType;
typedef struct SeqQueue
{
    DataType data[N];
    int front;
    int rear;
} SQ;

// 2. 创建一个空的队列
SQ *SQCreate();

// 3. 数据入列
void SQPush(SQ *PQ, DataType data);

// 4. 数据出列
DataType SQPop(SQ *PQ);

// 5. 列长
int SQLength(SQ *PQ);

// 6. 清空
void SQClear(SQ *PQ);


#endif

#include "SQ.h"

// 2. 创建一个空的队列
SQ *SQCreate()
{
    // 2.1 开辟空间存放操作队列的结构体
    SQ *PQ = (SQ *)malloc(sizeof(SQ));
    if (NULL == PQ)
    {
        printf("SQCreate failed, PQ malloc err.\n");
        return NULL;
    }

    // 2.2 初始化结构体成员
    PQ->front = PQ->rear = 0;

    return PQ;
}

// 3. 数据入列
void SQPush(SQ *PQ, DataType data)
{
    // 3.1 容错判断——判满
    if ((PQ->rear+1)%N == PQ->front)
    {
        printf("SQPush failed, SQ is full.\n");
        return ;
    }

    // 3.2 数据入列
    PQ->data[PQ->rear] = data;

    // 3.3 移动尾指针
    PQ->rear = (PQ->rear + 1) % N;
}

// 4. 数据出列
DataType SQPop(SQ *PQ)
{
    // 4.1 容错判断——判空
    if (PQ->front == PQ->rear)
    {
        printf("SQPop failed, SQ is empty.\n");
        return -1;
    }

    // 4.2 保存出列数据
    DataType data = PQ->data[PQ->front];

    // 4.3 移动队头指针
    PQ->front = (PQ->front+1)%N;

    // 4.4 返回出列数据
    return data;
}

// 5. 列长
int SQLength(SQ *PQ)
{
    return (PQ->rear + N - PQ->front) % N;
}

// 6. 清空
void SQClear(SQ *PQ)
{
	PQ->front = PQ->rear = 0;
}

#include "SQ.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 2. 创建空的循环队列
    SQ *PQ = SQCreate();

    SQPush(PQ, 111);
    SQPush(PQ, 222);
    SQPush(PQ, 333);

    DataType data = SQPop(PQ);
    printf("SQPop data is %d\n", data);
    // SQPop data is 111

    int len = SQLength(PQ);
    printf("SQLength is %d\n", len);
    // SQLength is 2

    SQClear(PQ);

    len = SQLength(PQ);
    printf("SQLength is %d\n", len);
    // SQLength is 0

    free(PQ);
    PQ = NULL;

    return 0;
}