循环队列(Circular Queue)

来源：互联网发布：mac high sierra好吗编辑：程序博客网时间：2024/04/28 02:39

循环队列(Circular Queue)

1. 循环队列的概念

1.1 循环队列的定义

为了能够充分地使用数组中的存储空间，克服”假溢出”现象，可以把数组的前端和后端连接起来，形成一个环形的表，即把存储队列元素的表从逻辑上看成一个环，成为循环队列(circular queue)。

1.2 循环队列中各元素的逻辑及存储关系

循环队列的首尾相接，当队头指针front和队尾指针rear进到maxSize-1后，再前进一个位置就自动到0。这可以利用除法取余的运算(%)来实现。
(1)队头指针进1：front = (front + 1) % maxSize；
(2)队尾指针进1：rear = (rear + 1) % maxSize；

1.3 循环队列的初始化、插入和删除

循环队列的队头指针和队尾指针初始化时都置为0：front = rear = 0。
在队尾插入新元素和删除队头元素时，两个指针都按顺时针方向进1。当他们进到maxSize-1时，并不表示表的终结，只要有需要，利用%运算可以前进到数组的0号位置。
(1)队空条件：如果循环队列读取元素的速度快于存入元素的速度，队头指针很快追上了队尾指针，一旦front == rear时，队列就变成空队列。
(2)队满条件：如果队列存入元素的速度快于读取元素的速度，队尾指针很快就追上了队头指针，一旦队列满就不能再加入新元素了。为了区别于队空条件，用(rear +１) ％ maxSize == front来判断是否队已满，就是说，让rear指到front的前一位置就认为队已满。
循环队列的模型：
注：如果不留一个空位置，让队尾指针rear一直走到这个位置，必然有rear == front，则队空条件和队满条件就混淆了。除非另加队空或队满标识，否则无从分辨到底是队空，还是队满。因此，在循环队列中，最多只能存放maxSize-1个元素。

2. 循环队列的实现

2.1 循环队列的类定义及其操作的实现

文件：CircQueue.h

#ifndef CIRC_QUEUE_H_#define CIRC_QUEUE_H_#include "Queue.h"#include <iostream>#include <string>#include <strstream>using namespace std;const int defaultSize = 50;template <class T>class CircQueue : public Queue<T>{public:    CircQueue(int sz = defaultSize);        //构造函数    virtual ~CircQueue();                   //析构函数public:    virtual bool getHead(T& x) const;       //读取队头元素，并将该元素的值保存至x    virtual bool EnQueue(const T& x);       //新元素x入队    virtual bool DeQueue(T& x);             //队头元素出队，并将该元素的值保存至x    virtual bool IsEmpty() const;           //判断队列是否为空    virtual bool IsFull() const;            //判断队列是否为满    virtual void MakeEmpty();               //清空队列的内容    virtual int getSize() const;            //计算队列中元素个数public:    template <class T>    friend ostream& operator<<(ostream& os, const CircQueue<T>& q); //输出队列元素的重载操作<<private:    T *elements;    //存放队列元素的队列数组    int front;      //队头指针    int rear;       //队尾指针    int maxSize;    //队列最大可容纳元素个数};//构造函数template <class T>CircQueue<T>::CircQueue(int sz){    cout << "$ 执行构造函数" << endl;    if (sz >= 0)    {        maxSize = sz;        front = rear = 0;        elements = new T[maxSize];    }}//析构函数template <class T>CircQueue<T>::~CircQueue(){    cout << "$ 执行析构函数" << endl;    delete[] elements;    elements = NULL;}//读取队头元素，并将该元素的值保存至xtemplate <class T>bool CircQueue<T>::getHead(T& x) const{    if (true == IsEmpty())    {        return false;    }    x = elements[front];    return true;}//新元素x入队template <class T>bool CircQueue<T>::EnQueue(const T& x){    if (true == IsFull())    {        return false;    }    elements[rear] = x;    rear = (rear + 1) % maxSize;    return true;}//队头元素出队，并将该元素的值保存至xtemplate <class T>bool CircQueue<T>::DeQueue(T& x){    if (true == IsEmpty())    {        return false;    }    x = elements[front];    front = (front + 1) % maxSize;    return true;}//判断队列是否为空template <class T>bool CircQueue<T>::IsEmpty() const{    return (front == rear) ? true : false;}//判断队列是否为满template <class T>bool CircQueue<T>::IsFull() const{    return ((rear + 1) % maxSize == front) ? true : false;}//清空队列的内容template <class T>void CircQueue<T>::MakeEmpty(){    delete[] elements;    front = rear = 0;    elements = new T[maxSize];}//计算队列中元素个数template <class T>int CircQueue<T>::getSize() const{    return (rear - front + maxSize) % maxSize;}//输出队列元素的重载操作<<template <class T>ostream& operator<<(ostream& os, const CircQueue<T>& q){    for (int i = q.front; i != q.rear; i = (i+1)%q.maxSize)    {        os << "[" << i << "]" << " : " << q.elements[i] << endl;    }    return os;}#endif /* CIRC_QUEUE_H_ */

2.2 主函数(main函数)的实现

文件：main.cpp

#include "CircQueue.h"#define EXIT 0              //退出#define GETHEAD 1           //读取队头元素，并将该元素的值保存至x#define ENQUEUE 2           //新元素x入队#define DEQUEUE  3          //队头元素出队，并将该元素的值保存至x#define ISEMPTY  4          //判断队列是否为空#define ISFULL 5            //判断队列是否为满#define MAKEEMPTY 6         //清空队列的内容#define GETSIZE 7           //计算队列中元素个数#define OPERATOR_OSTREAM 8  //输出队列元素的重载操作<<void print_description(){    cout << "------------------------------>循环队列<------------------------------" << endl;    cout << "功能选项说明：" << endl;    cout << "#0： 退出" << endl;    cout << "#1： 读取队头元素，并将该元素的值保存至x" << endl;    cout << "#2： 新元素x入队" << endl;    cout << "#3： 队头元素出队，并将该元素的值保存至x" << endl;    cout << "#4： 判断队列是否为空" << endl;    cout << "#5： 判断队列是否为满" << endl;    cout << "#6： 清空队列的内容" << endl;    cout << "#7： 计算队列中元素个数" << endl;    cout << "#8： 输出队列元素的重载操作<<" << endl;    cout << "--------------------------------------------------------------------" << endl;}//判断输入的字符串每个字符是否都是数值0~9bool IsNumber(const string& s_num){    for (size_t i = 0; i < s_num.size(); i++)    {        if ((s_num[i] < '0') || (s_num[i] > '9'))        {            return false;        }    }    return true;}//类型转换——将string型转为模板类型Ttemplate <class T>T StrToTtype(const string& s_num){    T n_num;    strstream ss_num;    ss_num << s_num;    ss_num >> n_num;    return n_num;}//输入数据值template <class T>T get_data(){    cout << "> 请输入数据值，data = ";    string s_data;    cin >> s_data;    return StrToTtype<T>(s_data);}//输入数组的最大长度template <class T>int get_maxsize(){    cout << "> 请输入数组的最大长度，maxsize = ";    string s_maxsize;    cin >> s_maxsize;    while (false == IsNumber(s_maxsize))    {        cout << "* 输入有误，请重新输入：";        cin >> s_maxsize;    }    return atoi(s_maxsize.c_str());}//构造循环队列template <class T>CircQueue<T>* construct_circqueue(){    cout << "\n==> 创建循环队列" << endl;    int n_maxsize = get_maxsize<T>();    CircQueue<T> *circQueue = new CircQueue<T>(n_maxsize);    return circQueue;}//析构循环队列template <class T>void destory_circqueue(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "\n==> 释放循环队列在堆中申请的空间，并将指向该空间的指针变量置为空" << endl;    delete circQueue;    circQueue = NULL;}//读取队头元素，并将该元素的值保存至xtemplate <class T>void gethead(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "$ 执行读取队头元素并将该元素的值保存至x函数" << endl;    T data;    if (false == circQueue->getHead(data))    {        cout << "* 读取队头元素失败" << endl;        return;    }    cout << "* 读取队头元素成功，data = " << data << endl;}//新元素x入队template <class T>              void enqueue(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "$ 执行新元素x入队函数" << endl;    T data = get_data<T>();    if (false == circQueue->EnQueue(data))    {        cout << "* 入队失败" << endl;        return;    }    cout << "* 入队成功，data = " << data << endl;}//队头元素出队，并将该元素的值保存至xtemplate <class T>  void dequeue(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "$ 执行队头元素出队并将该元素的值保存至x函数" << endl;    T data;    if (false == circQueue->DeQueue(data))    {        cout << "* 出队失败" << endl;        return;    }    cout << "* 出队成功，data = " << data << endl;}//判断队列是否为空template <class T>  void isempty(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "$ 执行判断队列是否为空函数，IsEmpty = " << circQueue->IsEmpty() << endl;}//判断队列是否为满template <class T>  void isfull(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "$ 执行判断队列是否为满函数，IsFull = " << circQueue->IsFull() << endl;}//清空队列的内容template <class T>  void makeempty(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "$ 执行清空队列的内容函数" << endl;    circQueue->MakeEmpty();}//计算队列中元素个数template <class T>void getsize(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "$ 执行计算队列中元素个数函数，Size = " << circQueue->getSize() << endl;}//输出队列元素的重载操作<<template <class T>  void operator_ostream(CircQueue<T>* circQueue){    cout << "$ 执行输出队列元素的重载操作<<函数" << endl;    cout << *circQueue;//或operator<<(cout, *circQueue);}//循环队列操作选择template <class T>void select_operation(CircQueue<T>* circQueue){    if (NULL == circQueue)    {        cout << "* 没有构造循环队列，请先构造循环队列。" << endl;        return;    }    string s_operation;    while (s_operation != "0")    {        cout << "\n==> 请输入功能选项编号(按\"0\"退出程序)：";        cin >> s_operation;        while (false == IsNumber(s_operation))        {            cout << "* 输入有误，请重新输入：";            cin >> s_operation;        }        int n_operation = atoi(s_operation.c_str());        switch (n_operation)        {            case EXIT://退出            {                cout << "$ 退出程序" << endl;                break;            }            case GETHEAD://读取队头元素，并将该元素的值保存至x            {                gethead(circQueue);                break;            }            case ENQUEUE://新元素x入队            {                enqueue(circQueue);                break;            }            case DEQUEUE://队头元素出队，并将该元素的值保存至x            {                dequeue(circQueue);                break;            }            case ISEMPTY://判断队列是否为空            {                isempty(circQueue);                break;            }            case ISFULL://判断队列是否为满            {                isfull(circQueue);                break;            }            case MAKEEMPTY://清空队列的内容            {                makeempty(circQueue);                break;            }            case GETSIZE://计算队列元素个数            {                getsize(circQueue);                break;            }            case OPERATOR_OSTREAM://输出队列元素的重载操作<<            {                operator_ostream(circQueue);                break;            }            default:            {                cout << "* 请输入正确的功能选项编号" << endl;                break;            }        }    }}int main(int argc, char* argv[]){    print_description();    CircQueue<int> *circQueue = construct_circqueue<int>();    select_operation(circQueue);    destory_circqueue(circQueue);    system("pause");    return 0;}

参考文献：
[1]《数据结构(用面向对象方法与C++语言描述)(第2版)》殷人昆——第三章
[2]《C/C++常用算法手册》秦姣华、向旭宇——第二章
[3] 百度搜索关键字：循环队列

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