数据结构队列之环形队列的动态数组实现：queue

来源：互联网发布：搞笑自拍软件编辑：程序博客网时间：2024/05/21 21:35

queue: 也是一种线性的数据结构，其操作一般来讲也是受限的，典型特征是（First in, First out, FIFO)先进先出；

进入队列的元素总是在队列的tail入队，离开队列的元素总是从队列的head离开。

其实实现有多种方式：

1. 用链表实现，head指针指向queue的head， tail指针指向queue的tail；

使用的内存空间就是队列中所有元素节点的空间，但是此实现无法随机访问队列中的元素（这是链表本质决定的）。

使用链表的实现会当元素频繁入队的话，会频繁的分配内存空间；当元素入队时也要频繁地释放元素的内存空间。

2. 用数组实现：

a. 静态数组的实现：有限容量的队列，一般情况下通过实现环形queue以实现数组空间的充分利用。此实现，使用于具体需求确定的情形。

b. 动态数组的实现：动态数组实现的环形queue，除了具有静态数组实现的环形queue的优点外，还能根据需求的变化，自动的调整队列的内存。（可谓有点智能）。

环形队列的实现要点：可谓是队列为空的标记，

为了简便起见，本文的实现通过将tail永远指向queue的最后一个元素的下一个元素空间位置，即所谓的留出最后一个的元素空间作为标记；

1. 初始化 queue.head == queue.tail 为空；（tail始终指向队列中最后一个元素的下一个位置）；

2. enqueue: 元素入队，(因为tail指向的一个节点的元素空间总是预留的)，是否需要环形调整，queue是否已满（++tail == head），队满增加存储空间，调整队列；

3. dequeue: 队列不为空，将对头元素出对，是否需要环形调整，预留空间是否过多，如果是做相应的调整。

4.队列的销毁；

注意，队列空，队列满的标志。

用动态数组实现的环形队列的代码如下：

1. queue的接口规范文件：queue.h

#ifndef QUEUE_H#define QUEUE_H#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>/* initial queue capacity in terms of elements */#defineQUEUE_INITIAL_SIZE1 //1024; 1 just used to test in case;#define CHECK_MEM(p) \if ((p) == NULL) { \    fprintf(stderr, "out of memory: in file %s, line %d, function %s.\n", __FILE__, __LINE__, __FUCTION__); \    exit(1); \}typedef struct queue_t {    void    *base;    void    *head;              /* head points to oldest element */    void    *tail;              /* tail points to the next element position to the earliest element */    int    element_size;    /* element size */    int    capacity;        /* capacity */} queue;/* queue operations */void queue_init(queue *queue, int element_size);void queue_free(queue *queue);int    queue_empty(queue *queue);void   enqueue(queue *queue, void *element);void * dequeue(queue *queue);int    queue_size(queue *queue);void   queue_clear(queue *queue);#endif  /* QUEUE_H */

2. queue功能实现代码：queue.c

#include "queue.h"/* queue operations */void queue_init(queue *queue, int element_size) {    queue->base = (void *) malloc(QUEUE_INITIAL_SIZE * element_size);    if (queue->base == NULL) {        fprintf(stderr, "out of memory (in file %s : line %d : fuction %s.)\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__);        exit(1);    }    queue->head = queue->base;    queue->tail = queue->base;    queue->element_size = element_size;    queue->capacity = QUEUE_INITIAL_SIZE * element_size;}void queue_free(queue *queue) {    if (queue->base != NULL) {        free(queue->base);        queue->base = NULL;    }    queue->head = NULL;    queue->tail = NULL;    queue->element_size = 0;    queue->capacity = 0;}int queue_empty(queue *queue) {    return (queue->head == queue->tail) ? 1 : 0;}void enqueue(queue *queue, void *element) {    void *newbase;    int n;    memcpy(queue->tail, element, queue->element_size);    queue->tail += queue->element_size;    if (queue->tail == (queue->base + queue->capacity)) {        queue->tail = queue->base;    }    /* queue not full, done */    if (queue->tail != queue->head) return;    /* queue is full, allocate more memory and move data */    newbase = (void *) malloc(queue->capacity << 1);    if (newbase == NULL) {        fprintf(stderr, "out of memory (in file %s : line %d : fuction %s.)\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__);        queue_free(queue);        exit(1);    }    n = queue->base + queue->capacity - queue->head;    memcpy(newbase, queue->head, n);    if(queue->tail > queue->base) {        memcpy(newbase + n, queue->base, queue->tail - queue->base);    }    free(queue->base);    queue->base = newbase;    queue->head = queue->base;    queue->tail = queue->base + queue->capacity;    queue->capacity <<= 1;}void * dequeue(queue *queue) {    void *p;    void *newbase;    if(queue_empty(queue))return NULL;    int byte_size = queue_size(queue) * queue->element_size;    int n;    if(byte_size > QUEUE_INITIAL_SIZE && byte_size < (queue->capacity >> 1) ) {        if(queue->head <= queue->tail) {            n = queue->tail - queue->head;            newbase = (void *) malloc(n);            if (newbase == NULL) {                fprintf(stderr, "memory error: (in file %s : line %d : fuction %s.)\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__);                queue_free(queue);                exit(1);            }            memcpy(newbase, queue->head, n);        } else {            n = queue->tail + queue->capacity - queue->head;            newbase = (void *) malloc(queue->capacity >> 1);            if (newbase == NULL) {                fprintf(stderr, "memory error: (in file %s : line %d : fuction %s.)\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__);                queue_free(queue);                exit(1);            }            int right = queue->base + queue->capacity - queue->head;            memcpy(newbase, queue->head, right);            memcpy(newbase + right, queue->base, queue->tail - queue->base);        }        free(queue->base);        queue->base = newbase;        queue->head = newbase;        queue->tail = newbase + n;        queue->capacity >>= 1;    }    p = queue->head;    queue->head += queue->element_size;    if(queue->head == (queue->base + queue->capacity)) {        queue->head = queue->base;    }    return p;}int queue_size(queue *queue) {    if(queue->head <= queue->tail) {        return  (queue->tail - queue->head) / queue->element_size;    }else {        return (queue->tail + queue->capacity - queue->head) / queue->element_size;    }}/* just clear elements to queue empty, but don't free memory */void queue_clear(queue *queue) {    queue->head = queue->base;    queue->tail = queue->base;}

3. 对queue的测试代码：main.c

#include "queue.h"void printArray(int a[], int len);int main(int argc, char* argv[]) {    int a[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};    int len = sizeof(a)/sizeof(a[0]);    int i;    queue queue;    printArray(a, len);    queue_init(&queue, sizeof(a[0]));//    printf("queue capacity:%d\n", queue.capacity);//    printf("queue size: %d\n", queue_size(&queue));    for(i = 0; i < len; ++i) {        enqueue(&queue, &a[i]);//         printf("queue capacity:%d\n", queue.capacity);//         printf("queue size: %d\n", queue_size(&queue));    }//    printf("queue capacity:%d\n", queue.capacity);//    printf("queue size: %d\n", queue_size(&queue));    while(!queue_empty(&queue)) {        printf("%d\t", *(int*)dequeue(&queue));//        printf("queue capacity:%d\n", queue.capacity);//        printf("queue size: %d\n", queue_size(&queue));    }    printf("\n");//    printf("queue capacity:%d\n", queue.capacity);//    printf("queue size: %d\n", queue_size(&queue));    queue_free(&queue);    return 0;}void printArray(int a[], int len) {    int i;    for(i=0; i<len; i++) {        printf("%d\t", a[i]);    }    printf("\n");}

用例测试结果：