【C/C++】环形队列实现原理

环形队列是在实际编程极为有用的数据结构,它有如下特点。

   它是一个首尾相连的FIFO的数据结构，采用数组的线性空间,数据组织简单。能很快知道队列是否满为空。能以很快速度的来存取数据。

   因为有简单高效的原因，甚至在硬件都实现了环形队列.

  

   环形队列广泛用于网络数据收发，和不同程序间数据交换（比如内核与应用程序大量交换数据,从硬件接收大量数据）均使用了环形队列.

一.环形队列实现原理

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  内存上没有环形的结构，因此环形队列实上是数组的线性空间来实现。那当数据到了尾部如何处理呢？它将转回到0位置来处理。这个的转回是通过取模操作来执行的。

   因此环列队列的是逻辑上将数组元素q[0]与q[MAXN-1]连接，形成一个存放队列的环形空间。

   为了方便读写，还要用数组下标来指明队列的读写位置。head/tail.其中head指向可以读的位置，tail指向可以写的位置。

 环形队列的关键是判断队列为空，还是为满。当tail追上head时，队列为满时，当head追上tail时，队列为空。但如何知道谁追上谁。还需要一些辅助的手段来判断.

   如何判断环形队列为空，为满有两种判断方法。

   一.是附加一个标志位tag

      当head赶上tail，队列空，则令tag=0,
      当tail赶上head，队列满，则令tag=1,

   二.限制tail赶上head，即队尾结点与队首结点之间至少留有一个元素的空间。

      队列空：   head==tail
      队列满：   (tail+1)% MAXN ==head

二.附加标志实现算法

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  采用第一个环形队列有如下结构

typedef struct ringq{
   int head; /* 头部，出队列方向*/
   int tail; /* 尾部，入队列方向*/ 
   int tag ;
   int size ; /* 队列总尺寸 */
   int space[RINGQ_MAX]; /* 队列空间 */
  
}RINGQ;

初始化状态:  q->head = q->tail = q->tag = 0;

队列为空:( q->head == q->tail) && (q->tag == 0)

队列为满 : ((q->head == q->tail) && (q->tag == 1))

入队操作:如队列不满，则写入

     q->tail =  (q->tail + 1) % q->size ;
出队操作：如果队列不空，则从head处读出。

    下一个可读的位置在  q->head =  (q->head + 1) % q->size

完整代码

    头文件ringq.h

#ifndef __RINGQ_H__
#define __RINGQ_H__
 
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif 
 
#define QUEUE_MAX 20
 
typedef struct ringq{
   int head; /* 头部，出队列方向*/
   int tail; /* 尾部，入队列方向*/ 
   int tag ; /* 为空还是为满的标志位*/
    int size ; /* 队列总尺寸 */
   int space[QUEUE_MAX]; /* 队列空间 */
}RINGQ;
 
/* 
  第一种设计方法:
     当head == tail 时，tag = 0 为空，等于 = 1 为满。
*/
 
extern int ringq_init(RINGQ * p_queue);
 
extern int ringq_free(RINGQ * p_queue);
 
 
/* 加入数据到队列 */
extern int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data);
 
/* 从队列取数据 */
extern int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int *p_data);
 
 
#define ringq_is_empty(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 0))
 
#define ringq_is_full(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 1))
 
#define print_ringq(q) printf("ring head %d,tail %d,tag %d\n", q->head,q->tail,q->tag);
#ifdef __cplusplus
}
#endif 
 
#endif /* __RINGQ_H__ */

实现代码 ringq.c

#include <stdio.h>
#include "ringq.h"
 
int ringq_init(RINGQ * p_queue)
{
   p_queue->size = QUEUE_MAX ;
   
   p_queue->head = 0;
   p_queue->tail = 0;
   
   p_queue->tag = 0;
   
   return 0;
}
 
int ringq_free(RINGQ * p_queue)
{
  return 0;
}
 
 
int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data)
{
  print_ringq(p_queue);
  
  if(ringq_is_full(p_queue))
   {
     
     printf("ringq is full\n");
     return -1;
   }
      
   p_queue->space[p_queue->tail] = data;
   
   p_queue->tail = (p_queue->tail + 1) % p_queue->size ;
   
   /* 这个时候一定队列满了*/
   if(p_queue->tail == p_queue->head)
    {
       p_queue->tag = 1;
    }
 
    return p_queue->tag ;  
}
 
int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int * p_data)
{
   print_ringq(p_queue);
  if(ringq_is_empty(p_queue))
   {
      
      printf("ringq is empty\n");
     return -1;
   }
   
   *p_data = p_queue->space[p_queue->head];
   
   p_queue->head = (p_queue->head + 1) % p_queue->size ;
   
    /* 这个时候一定队列空了*/
   if(p_queue->tail == p_queue->head)
    {
       p_queue->tag = 0;
    }    
    return p_queue->tag ;
}

测试代码

/* 测试第一种环形队列*/
void test5()
{
  RINGQ rq, * p_queue;
  int i,data;
  
  p_queue = &rq;
  
  ringq_init(p_queue);
  
  for(i=0; i < QUEUE_MAX +2 ; i++)
  {
   
   ringq_push(p_queue,i+1); 
  } 
    
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  ringq_free(p_queue);
}
 
/* 测试第一种环形队列,更加复杂的情况*/
void test6()
{
  RINGQ rq, * p_queue;
  int i,data;
  
  p_queue = &rq;
  
  ringq_init(p_queue);
  
  
   ringq_push(p_queue,1); 
   
   ringq_push(p_queue,2); 
  
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
    
  ringq_push(p_queue,3); 
  
  ringq_push(p_queue,4); 
  
  ringq_push(p_queue,5); 
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
       
   ringq_push(p_queue,6); 
     
   if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
     
     if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
     PRINT_INT(data);
  
  ringq_free(p_queue);
}

三.预留空间环境队列

 -------------------------------------------------------------------

不采用tag,只留一个空间

   

初始化状态:  q->head = q->tail = q->tag = 0;

队列为空:( q->head == q->tail)

队列为满 : (((q->tail+1)%q->size) == q->head )

入队操作:如队列不满，则写入

     q->tail =  (q->tail + 1) % q->size ;
出队操作：如果队列不空，则从head处读出。

    下一个可读的位置在  q->head =  (q->head + 1) % q->size

头文件

  ringq.h

#ifndef __RINGQ_H__
#define __RINGQ_H__
 
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif 
 
#define RINGQ_MAX 20
 
typedef struct ringq{
   int head; /* 头部，出队列方向*/
   int tail; /* 尾部，入队列方向*/ 
   int size ; /* 队列总尺寸 */
   int space[RINGQ_MAX]; /* 队列空间 */
}RINGQ;
 
/*
  取消tag .限制读与写之间至少要留一个空间
  队列空 head == tail .
  队列满是 (tail+1)%MAX == head  
  初始化是head = tail = 0;   
*/
 
extern int ringq_init(RINGQ * p_ringq);
 
extern int ringq_free(RINGQ * p_ringq);
 
extern int ringq_push(RINGQ * p_ringq,int data);
 
extern int ringq_poll(RINGQ * p_ringq,int * p_data);
 
#define ringq_is_empty(q) (q->head == q->tail)
 
#define ringq_is_full(q) (((q->tail+1)%q->size) == q->head )
 
#define print_ringq2(q,d) printf("ring head %d,tail %d,data %d\n", q->head,q->tail,d);
 
#ifdef __cplusplus
}
#endif 
 
#endif /* __QUEUE_H__ */

 实现代码ringq.c

#include <stdio.h>
 
#include "ringq.h"
 
int ringq_init(RINGQ * p_ringq)
{
  p_ringq->size = RINGQ_MAX;
  
  p_ringq->head = 0;
  p_ringq->tail = 0;
  
  return p_ringq->size;
}
 
int ringq_free(RINGQ * p_ringq)
{
  return 0;
}
 
/* 往队列加入数据 */
int ringq_push(RINGQ * p_ringq,int data)
{
   print_ringq(p_ringq,data);
   
   if(ringq_is_full(p_ringq))
     {
         printf("ringq is full,data %d\n",data);
           return -1;
     }
         
   p_ringq->space[p_ringq->tail] = data;
   
   p_ringq->tail = (p_ringq->tail + 1) % p_ringq->size ;   
    
    return p_ringq->tail ;
}
 
 
int ringq_poll(RINGQ * p_ringq,int * p_data)
{
   print_ringq(p_ringq,-1);
  if(ringq_is_empty(p_ringq))
   {
     printf("ringq is empty\n");
     return -1;
   }
   
   *p_data = p_ringq->space[p_ringq->head];
   
   p_ringq->head = (p_ringq->head + 1) % p_ringq->size ;
   
   return p_ringq->head;
}

作者： Andrew Huang [email protected]

环形队列中实现队列的基本运算

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#define MaxSize 10
using namespace std;
 
typedef char ElemType;
typedef struct
{
    ElemType data[MaxSize];
    int front,rear;
} SqQueue;
void InitQueue(SqQueue *q)//初始化队列InitQueue
{
    //q=(SqQueue *)malloc(sizeof(SqQueue));
    q->front=q->rear=0;
}
 
void DestroyQueue(SqQueue *q)//销毁队列DestroyQueue
{
    free(q);
}
 
bool QueueEmpty(SqQueue *q)//判断队列是否为空QueueEmpty
{
    return (q->front==q->rear);
}
 
bool enQueue(SqQueue *q,ElemType e)//进队列enQueue
{
    if(<span style="color:#ffff66;background-color: rgb(255, 0, 0);">(q->rear+1)%MaxSize == q->front</span>)
        return false;
    else
    {
        <span style="color:#ffff66;">q->rear=(q->rear+1)%MaxSize;</span>
        q->data[q->rear]=e;
        return true;
    }
}
bool deQueue(SqQueue *q,ElemType &e)//出队列deQueue
{
    if(q->front==q->rear)
        return false;
    else
    {
        <span style="background-color: rgb(255, 153, 0);">q->front=(q->front+1)%MaxSize;</span>
        e=q->data[q->front];
        return true;
    }
}
int main()
{
    SqQueue *q = new SqQueue();
    char e;
    InitQueue(q);
    enQueue(q,'a');
    cout<<QueueEmpty(q)<<endl;
    deQueue(q,e);
    cout<<e<<endl;
    DestroyQueue(q);
    cout<<QueueEmpty(q)<<endl;
    return 0;
}