• 常用数据结构 ——— 队列（环形队列和顺序队列）

    目录

    一、队列简介

    二、顺序队列

    三、环形队列

    四、环形队列代码

    1、队列结构体

    2、队列初始化

    3、判断队列是否为满

    4、判断队列是否为空

    5、将数据插入到队列中

    6、读取队列中的数据

    7、释放队列空间

    8、功能测试

    一、队列简介

            队列只允许在队列头（front）进行删除操作，在队列尾（rear）进行插入操作，当队列中没有元素时，称为空队列。在队列中插入元素称为入队，从队列中删除元素称为出队。因为队列只允许在尾端插入，在头端删除，所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除，即队列有先进先出的特点。

    二、顺序队列

            即仅在队头进行删除在队尾进行插入，可用地址连续的存储单元依次存放队列中的数据，比如数组。队头和队尾的位置是变化的，所以要设置头、尾指针。  

            初始化时的头尾指针，均置为 0。 当头尾指针相等时队列为空或者为满，在非空队列里，头指针始终指向队头元素，尾指针始终指向队尾元素的下一位置。

            由队列的原理可以将头指针当做读操作，将尾指针当做写操作，即在尾端插入数据就是写入队列，在头端删除数据就是将队列中的数据读出，这样好理解点。

    刚开始头指针和尾指针都在同一位置

     当队列入队时，尾指针加一，头指针保持不变，a1入队，尾指针rear+1指向下一个地址空间，即尾指针始终指向队尾的下一地址，如a4入队后，尾指针rear+1 。

    队列出队时，尾指针保持不变，头指针依次加1，由先进先出原则，a1先入队，则a1先被读走，然后front+1，指向了 a2，a2删除后，front+1指向了 a3。

    当a5删除后，头指针和尾指针的指向又相同相等了，即说明队列中的数据 已经全部读走

    在顺序队列中，当尾指针已经指向了队列的最后一个位置的下一位置时，如果再有元素入队，就会发生“溢出”，此时队列中已经填满了数据，头指针还在开始位置。

    顺序队列的 “假溢出” ：即队列的存储空间并未填满，却发生了溢出。

            比如 rear 现在指向了最后一个位置的下一位置，按照上面所说此时队列已经被填满，如果再有元素入队，就会发生“溢出”，但这是在头指针没有移动的前提下，如果之前队列头也删除了一些元素，那么队列头指针经过n次的 +1 之后，会遗留下了很多空地址，但是顺序队列就会认为再有元素入队，就溢出，即出现 “假溢出” 现象，这是不合理的，故出现了环形队列。

    三、环形队列

            环形队列的使用场景还是挺多的，比如要将单片机一些模块采集的数据连续上传到PC端，这里就可以用到环形队列，即将采集的数据放到队列中去，再将队列中的数据读出上传到PC端，这里为什么不直接将采集端和上传端直接相连呢？因为采集数据的速度和上传数据的速度是不知道的，如果直接相连会出错。

            环形队列的原理就是将新元素加入到第一个位置上，构成类似于一个环一样的队列，入队和出队还是按照“先进先出”的原则进行，环形队列的空间利用率高。

            环形队列解决了顺序队列 “假溢出” 的现象，但是又出现新的问题，即怎么判断队列是否为空，如果单用 rear = front 判断空或满显然是不行的，比如

             此时两种情况都是 rear = front 的情况，在环形队列中，当队列满了之后 rear + 1会指向第一个地址，即出现了  rear = front 的情况。

            一般判断队列空的条件是 rear = front， 通常少用一个元素的储存空间用来判断队列是否满，即在入队前测试尾指针加 1 后是否等于头指针，若相等则认为队满。

            或者当用数组array[len]来表示队列时，则可用（rear - front）的差和数组长度 len 进行比较，如果相等则说明队列已满，（在下面说明这种方法）。

    四、环形队列代码

     W等于尾指针rear，R等于头指针front，相当于写操作和读操作。

    1、队列结构体

    1. /*队列结构体*/
    2. typedef struct ring_buff{
    3.  
    4. 	int array[len]; 
    5. 	int W;
    6.     int R;
    7. }*ring;

    2、队列初始化

    1. /*队列初始化*/
    2. struct ring_buff *fifo_init(void)
    3. {
    4. 	struct ring_buff *p = NULL;
    5. 	p = (struct ring_buff *)malloc(sizeof(struct ring_buff));
    6.     if(p == NULL){
    7. 		printf("malloc error\n");
    8. 		return -1;
    9.     }else{
    10. 		p->W = 0;
    11.         p->R = 0;
    12.         memset(p->array,0,sizeof(p->array));
    13.         return p;
    14.     }
    15. }

    将队列相应空间清零。

    3、判断队列是否为满

    1. /*判断是否满*/
    2. int get_ring_buff_fullstate(struct ring_buff *P_ring_buff)
    3. {
    4. 	if((P_ring_buff->W - P_ring_buff->R) == len){
    5. 		return 1;
    6.     }else{
    7. 			return 0;
    8.     }
    9. }

            如上图所示，array[6] 的存储空间为array[0] - array[5]，即6个数，当R和W等于0时指向array[0]，存入数据后W++，指向下一个地址，当W将array[5]存入数据后会自加一，此时W = 6，R = 0，下一次判断队列是否满时条件成立，即W  -   R  =  len，len为数组长度6。

    4、判断队列是否为空

    1. /*判断是否为空*/
    2. int get_ring_buff_emptystate(struct ring_buff *P_ring_buff)
    3. {
    4. 	if(P_ring_buff->W == P_ring_buff->R){
    5. 		return 1;
    6.     }else{
    7. 		return 0;
    8.     }
    9. }

    当头指针和尾指针相等时判断为空

    5、将数据插入到队列中

    1. /*插入数据*/
    2. int ring_buff_insert(struct ring_buff *P_ring_buff,int data)
    3. {
    4. 	if(P_ring_buff == NULL){        
    5.     	printf("insert P_ring_buff error\n");
    6. 		return -1;
    7.     }
    8.     /*判断队列是否满*/
    9.     if(get_ring_buff_fullstate(P_ring_buff) == 1){
    10. 		printf("full\n");
    11. 		return -1;
    12.     }
    13. 	P_ring_buff->array[P_ring_buff->W%len] = data;
    14.     P_ring_buff->W++;
    15.     return 0;
    16. }

    W = {0、1、2、3、4、5 }，则array[W%len] = {0、1、2、3、4、5}，刚好依次对应，当W = 6时，6 % 6 = 0，又从array[0]开始存储数据，这也是环形队列的关键，即形成闭环。

    6、读取队列中的数据

    1. /*读取数据*/
    2. int ring_buff_get(struct ring_buff *P_ring_buff)
    3. {
    4. 	int data = 0;
    5.     if(P_ring_buff == NULL){
    6. 		printf("get P_ring_buff error\n");
    7. 		return -1;
    8.     }
    9.     data = P_ring_buff->array[P_ring_buff->R%len];
    10.     P_ring_buff->R++;
    11.     return data;
    12. }

    读取数据和写入数据类似，也是当R = 6时，6 % 6 = 0，又从array[0]开始读取数据

    7、释放队列空间

    1. /*销毁*/
    2. int ring_buff_destory(struct ring_buff *P_ring_buff)
    3. {
    4. 	if(P_ring_buff == NULL){
    5. 		printf("destory P_ring_buff error\n");
    6. 		return -1;
    7.     }
    8. 	free(P_ring_buff);
    9.     return 0;
    10. }

    8、功能测试

    1. #define len 6
    2. int main() 
    3. {
    4. 	int i;
    5. 	int getData = 0;
    6. /*初始化队列*/
    7.     ring Pt_ring_buff = fifo_init(); 
    8. /*向队列中写数据，即0 - 5*/
    9. 	for(i = 0;i < 6;i++){
    10. 		ring_buff_insert(Pt_ring_buff,i);
    11.     }
    12. /*将写入的数据读出三个，由先进先出原则应该读的0 - 2*/
    13.     for(i = 0;i < 3;i++){
    14. 		printf("  %d",ring_buff_get(Pt_ring_buff));
    15.     }
    16.     printf("\n");
    17. /*再写入三个数据，此时写入的数据应该在上面的数据之后，即在5之后*/
    18.     for(i = 8;i < 11;i++){
    19.     ring_buff_insert(Pt_ring_buff,i);
    20.     }
    21. /*读取队列中的数据，此时再次读取队列中的数据时，0 - 2 已经被读走，所以应该是从3、4、5、8、9、10、3 ...循环读取十个数据*/    
    22.     for(i = 0;i < 10;i++){
    23. 		printf("  %d",ring_buff_get(Pt_ring_buff));
    24.     }
    25. 	ring_buff_destory(Pt_ring_buff);   //释放空间
    26. 	printf("\n");
    27.     system("pause");
    28.     return 0;
    29. }

    输出结果

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/qq_48458789/article/details/128134821