【数据结构】（C语言）：队列

news2024/11/19 11:18:39

队列：

  • 线性的集合。
  • 先进先出（FIFO，first in first out）。
  • 两个指针：头指针（指向第一个进入且第一个出去的元素），尾指针（指向最后一个进入且最后一个出去的元素）。
  • 两个操作：入队（往队尾添加元素），出队（从队头删除元素）。
  • 队列有优先队列，双端队列，循环队列等。
  • 可以使用链表实现，也可以使用数组实现。本文使用数组实现循环队列。

添加元素：

往队尾添加。若尾指针已指向队尾，则循环重新指向队头。

删除元素：

从队头删除。若头指针已指向队尾，则循环重新指向队头。

扩容、缩容：

若内存区域已全部使用完，则增加内存区域。若内存区域使用小，则减少内存区域。

方法：新开辟内存区域，将原数据复制到新内存区域。

若头指针在尾指针的前面，则从头指针到尾指针的数据依次复制到新内存区域。

若尾指针在头指针的前面，则从头指针到内存区域最后的这m个数据，依次复制到新区域0到m-1，再从0到尾指针的数据，依次复制到n到n-1（n为实际存储数据个数）。

 ​​​​​​

C语言实现：（使用数组实现循环队列）

创建结构体数据类型：

  • 指针p：记录数组的内存地址（即数组第一个元素的地址）。
  • 整型length：记录数组最大物理容量（即创建数组时指定的内存大小）。
  • 整型n：记录数组实际逻辑大小（即数组实际已经存储的数据个数）。
  • 指针front：头指针，始终指向数组数据中第一个进入且将第一个出去的元素。
  • 指针rear：尾指针，始终指向数组数据中最后一个进入且将最后一个出去的元素。
typedef struct Queue
{
	int *p;		    // 数组内存地址
	int length;	    // 物理最大容量
	int n;		    // 实际存储数据
	int *front;	    // 始终指向第一个进入且第一个出去的元素
	int *rear;	    // 始终指向最后一个进入且最后一个出去的元素
} Queue;	        // 别名

创建队列变量：

Queue queue;

初始化队列：

void init(Queue *queue, int len)
{
	queue->p = (int *)malloc(len * sizeof(int));     // 分配数组内存空间
	if(queue->p == NULL)
	{
		perror("Memory allocation failled");
		exit(-1);
	}
	queue->length = len;            // 指定物理大小
	queue->n = 0;                   // 实际存储数据个数,初始化为0
	queue->front = queue->p;        // 头指针,初始化指向数组第一个元素地址
	queue->rear = queue->p;         // 尾指针,初始化指向数组第一个元素地址
}

扩容、缩容：

void resize(Queue *queue, int len)
{
    // 开辟新内存空间，将原数据复制到新地址
	int *t = (int *)malloc(len * sizeof(int));
	int *tmp = queue->front;

    // 若头指针在前，依次复制从头指针到尾指针的数据
	if(queue->front < queue->rear)
	{
		for(int k = 0; k < queue->n; k++)
		{
			t[k] = *tmp;
			tmp++;
		} 
	}
    // 若尾指针在前，复制头指针到数组最后的数据，再复制数组开头到尾指针的数据
	else if(queue->front > queue->rear)
	{
		int i;
		int m = queue->p + queue->n - queue->front;
		for(i = 0; i < m; i++)
		{
			t[i] = *tmp;
			tmp++;
		}
		for(; i < queue->n; i++)
		{
			t[i] = queue->p[i - m];
		}
	}
	queue->p = t;
	queue->length = len;
	queue->front = queue->p;
	queue->rear = queue->p + queue->n - 1;
}

 添加元素：

往队尾添加。尾指针rear指向下一个元素。若尾指针已指向区域最后，则尾指针循环重新指向区域开头。

void add(Queue *queue, int data)
{
	if(queue->length == queue->n)	// 若数组满，扩容
	{
		int newlength = queue->length * 2;
		resize(queue, newlength);
	}
	
	// 若尾指针指向数组最后，尾指针循环开始指向数组开头
	if(queue->rear == queue->p + queue->n) queue->rear = queue->p;
	else queue->rear++;

	*queue->rear = data;
	queue->n++;
}

删除元素：

从队头删除。头指针front指向下一个元素。若头指针已指向区域最后，则头指针循环重新指向区域开头。

int deltop(Queue *queue)
{
	int value = *queue->rear;
	queue->n--;

	// 若头指针已指向数组尾部，头指针循环开始指向数组开头
	if(queue->front == queue->p + queue->n)	queue->front = queue->p;
	else queue->front++;

	if(queue->n < ceil(queue->length / 2) && queue->length > 4)	// 满足条件，缩容
	{
		int newlength = ceil(queue->length / 2);
		resize(queue, newlength);
	}
	return value;
}

遍历队列元素：

void travel(Queue *queue)
{
	if(queue->n == 0) return ;

	printf("elements: ");
	int *tmp = queue->front;
    
    // 若头指针在前，依次从头指针遍历到尾指针
	if(queue->front < queue->rear)
	{
		for(int k = 0; k < queue->n; k++)
		{
			printf("%d  ", *tmp);
			tmp++;
		} 
	}
    // 若尾指针在前，遍历头指针到数组最后，再遍历数组开头到尾指针
	else if(queue->front > queue->rear)
	{
		int i;
		int m = queue->p + queue->n - queue->front;
		for(i = 0; i < m; i++)
		{
			printf("%d  ", *tmp);
			tmp++;
		}
		for(; i < queue->n; i++)
		{
			printf("%d  ", queue->p[i - m]);
		}
	}
	printf("\n");
}

完整代码：（queue.c）

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

/* structure */
typedef struct Queue
{
	int *p;		// memory address of the queue
	int length;	// maximum number of the queue
	int n;		// actual number of the queue
	int *front;	// point to the first element
	int *rear;	// point to the end element
} Queue;

/* function prototype */
void init(Queue *, int);	// queue initialization
void resize(Queue *, int);	// increase or reduce the size of the queue
void add(Queue *, int);         // add element to the end of the queue
int deltop(Queue *);		// delete element from the start of the queue
void travel(Queue *);		// show element one by one

/* main function */
int main(void)
{
	Queue queue;
	init(&queue, 4);
	printf("length is %d, actual is %d\n", queue.length, queue.n);
	
	add(&queue, 8);
	add(&queue, 16);
	add(&queue, 23);
	printf("length is %d, actual is %d\n", queue.length, queue.n);
	travel(&queue);
	add(&queue, 65);
	printf("length is %d, actual is %d\n", queue.length, queue.n);
	travel(&queue);
	add(&queue, 27);     // 已满，扩容
	printf("length is %d, actual is %d\n", queue.length, queue.n);
	travel(&queue);

	deltop(&queue);
	printf("length is %d, actual is %d\n", queue.length, queue.n);
	travel(&queue);
	deltop(&queue);      // 使用少于一半，缩容
	printf("length is %d, actual is %d\n", queue.length, queue.n);
	travel(&queue);
	deltop(&queue);
	deltop(&queue);
	deltop(&queue);
	printf("length is %d, actual is %d\n", queue.length, queue.n);
	return 0;
}

/* subfunction */
void init(Queue *queue, int len)		// queue initialization
{
	queue->p = (int *)malloc(len * sizeof(int));
	if(queue->p == NULL)
	{
		perror("Memory allocation failled");
		exit(-1);
	}
	queue->length = len;
	queue->n = 0;
	queue->front = queue->p;
	queue->rear = queue->p;
}

void resize(Queue *queue, int len)	// increase or reduce the size of the queue
{
	int *t = (int *)malloc(len * sizeof(int));	// new memory space
	int *tmp = queue->front;			// copy datas to new memroy space
	if(queue->front < queue->rear)
	{ // copy elements from front pointer to rear pointer
		for(int k = 0; k < queue->n; k++)
		{
			t[k] = *tmp;
			tmp++;
		} 
	}
	else if(queue->front > queue->rear)
	{
		int i;
		int m = queue->p + queue->n - queue->front;
		for(i = 0; i < m; i++)
		{ // copy elements from front pointer to the end of the queue
			t[i] = *tmp;
			tmp++;
		}
		for(; i < queue->n; i++)
		{ // copy elements from start of the queue to the rear pointer
			t[i] = queue->p[i - m];
		}
	}
	queue->p = t;
	queue->length = len;
	queue->front = queue->p;
	queue->rear = queue->p + queue->n - 1;
}

void add(Queue *queue, int data)        // add element to the end of the queue
{
	if(queue->length == queue->n)	// increase the size of the queue
	{
		int newlength = queue->length * 2;
		resize(queue, newlength);
	}
	
	// if rear point to the end space, rear point to index 0
	if(queue->rear == queue->p + queue->n) queue->rear = queue->p;
	else queue->rear++;

	*queue->rear = data;
	queue->n++;
}

int deltop(Queue *queue)		// delete element from the start of the queue
{
	int value = *queue->rear;
	queue->n--;

	// if front point to the end space,front point to index 0
	if(queue->front == queue->p + queue->n)	queue->front = queue->p;
	else queue->front++;

	if(queue->n < ceil(queue->length / 2) && queue->length > 4)	// reduce the size of the queue
	{
		int newlength = ceil(queue->length / 2);
		resize(queue, newlength);
	}
	return value;
}


void travel(Queue *queue)		// show element one by one
{
	if(queue->n == 0) return ;

	printf("elements: ");
	int *tmp = queue->front;
	if(queue->front < queue->rear)
	{ // copy elements from front pointer to rear pointer
		for(int k = 0; k < queue->n; k++)
		{
			printf("%d  ", *tmp);
			tmp++;
		} 
	}
	else if(queue->front > queue->rear)
	{
		int i;
		int m = queue->p + queue->n - queue->front;
		for(i = 0; i < m; i++)
		{ // copy elements from front pointer to the end of the queue
			printf("%d  ", *tmp);
			tmp++;
		}
		for(; i < queue->n; i++)
		{ // copy elements from start of the queue to the rear pointer
			printf("%d  ", queue->p[i - m]);
		}
	}
	printf("\n");
}

编译链接： gcc -o queue queue.c

执行可执行文件： ./queue

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