目录
一、前言
二、循环队列的概念
三、实现循环队列
1、头文件与特殊函数介绍
2、循环队列的结构体
3、队列的初始化
4、判断队列是否为空
5、队列的进队操作
6、队列的出队操作
7、返回队头
8、返回队列长度
9、放回队列容量大小
10、销毁队列
四、完成队列(队列完整代码)
五、结束语
一、前言
在学习数据结构的过程中,学习到循环队列这,难度开始上升,之后的树、图等结构,会更加抽象并且难以实现,对逻辑更加严格,如果你正在学习数据结构,那么请你认真本篇文章,一定会有收获!
本章的主题是循环队列,所以在这里就不复习队列的基本概念。
二、循环队列的概念
循环队列一般都是基于数组结构实现的,利用数组结构我们可以很轻松的模拟出如图所视的环形循环结构:
当然链表结构也是可以实现的(可以使用循环链表进行实现)。
因为我们主要使用数组结构进行实现,所以在这篇文章中,我们主要讨论基于数组结构的实现方式。
三、实现循环队列
注意:为了好理解,之后出现的队列是循环队列的意思。
1、头文件与特殊函数介绍
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
本次队列需要的头文件。
1.我们需要使用一个断言函数 :assert(判断内容),作用如果判断内容为假,则显示判断内容,同时终止程序!
例:
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <math.h>
int main(void)
{
double x = -1.0;
assert(x >= 0.0);
printf("sqrt(x) = %f\n", sqrt(x));
return 0;
}
结果:
判断内容为假,程序终止!
2.我们使用exit函数进行终止程序。
- exit(x)(x不为0)都表示异常退出
- exit(0)表示正常退出
这里为什么不都用assert进行终止程序?主要是考虑到assert使用方式,assert主要是终止已知问题。
例:
当用户调用函数,实参不符合函数要求时。
但使用malloc返回一个空指针却不行,因为malloc返回空指针有多种问题造成,原因不清,所以不能使用assert来终止程序。
2、循环队列的结构体
typedef void queue;
typedef struct Tag_Queue {
int* m; //指向动态创建数组的指针
int front; //队列的头下标
int rear; //队列的尾下标
int capacity; //队列的容量大小
}Tag_Queue;
这里我们使用 queue是对我们循环队列结构体进行封装。
这里我为一些对c语言封装不太了解的读客,解释一下queue的封装原理。
void为空类型,void*他可以指向任意的地址。
当我们要调出用void*指向地址里的数据时,只需创建该地址相同类型的指针并将void*进行强制转换为相同类型,即可。
如:
#include<stdio.h> int main(void) { int x = 123; int* p = &x; void* test = p; int* p2 = (int*)test; //进行强制转换赋值 printf("%d\n", *p2); //访问p指向地址的数据,即p指向地址的数据 return 0; }
结果:
指向动态创建数组的指针(m)使用指针是为了动态创建数组,使队列相对灵活,本队列存储int类型的数据,想要存储其他类型的数据可以改变m的类型。
队列的头下标(front)与尾下标(tail)的作用,可以进行队空、队满的判断,并且提供进队、出队的操作。
队列的容量(capacity)大小的作用,队列大小(size)计算必要条件之一,辅助本队列实现动态化内存管理。
3、队列的初始化
在c语言中初始化一个结构体有很多中方式,比如直接实例化(不建议使用),或者把指针传递到函数,进行内部数据的初始化。
这里我采取比较实用的方式:创建初始化函数,返回队列结构体指针(注意:这里之后会用queue进行封装)。
queue* Queue_init(int number = 0) { //可以默认初始化
assert(number >= 0); //队列大小至少为0
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)malloc(sizeof(Tag_Queue)); //创建队列
if (ret == NULL) { //检查队列是否创建成功
printf("ret == NULL\n");
exit(1);
}
ret->m = (int*)calloc((size_t)number + (size_t)1, sizeof(int)); //创建数组
if (ret == NULL) { //检查数组是否创建成功
printf("ret->m == NULL\n");
exit(1);
}
ret->front = 0;
ret->rear = 0;
ret->capacity = number;
return ret;
}
1.在创建数组时,我用(size_t)number+(size_t)1,这里是因为calloc的参数为size_t,我用vs编译器,那么size_t就为8个字节,而number为int类型与1(也为int类型)进行计算有可能导致数据溢出(这不是本单元重点,不加size_t也是可以的),我们需要注意的是这里我加了个1,这个1是我们循环队列的关键,我们看图理解。
这里我们是用rear == front来判断是否为空,用(rear+1)%capacity == front是否队满,每当进队一个元素,该元素会在rear下标当前位置进行存储,然后rear下标往前走。
但如果没有这多出来的存储单元呢?
如图所示,当没有这多出来的存储单元的时候,安装我上面所述逻辑,队满操作就会失败!!
如果你的好好思考会发现,换别的逻辑方式也会导致判断失败,当然了,不一定是队满,也可能是队空!
本编只给出多创建一个存储单元的例子来解决这个问题!想解决这个问题也可以 使用比如计数方式,这里也就不做过多的赘述。
4、判断队列是否为空
int Queue_empty(queue* q) {
assert(q != NULL); //判断队列是否存在
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)q; //进行强制转换,使后续可以操作队列
if (ret->front == ret->tail) {
return 1;
}
else {
return 0;
}
}
/*返回值:1 此队列为空
0 此队列不空*/
5、队列的进队操作
void Queue_push(queue* q, int size) {
assert(q != NULL); //判断队列是否存在
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)q; //进行强制转换,使后需可以操作队列
if ((ret->rear + 1) % ret->capacity == ret->front) {
int* temp = (int*)realloc(ret->m, sizeof(int) * ((size_t)ret->capacity + (size_t)16));
if (temp == NULL) {
printf("temp == NULL\n");
exit(1);
}
ret->m = temp;
ret->capacity = ret->capacity + 16;
}
ret->m[ret->rear] = size; //进队
ret->rear = (ret->rear + 1) % ret->capacity; //尾下标向前移动一位,%capacity防止下标越界
return;
}
在队列的进队操作中,我用了动态化的进队方式,使队列的容量随着队满进行扩容,因此支持初始化函数不传入实参。
这里我先判断队列是否满,如果满进入if语句。
创建一个临时指针temp接收realloc函数对队列内数组进行扩容后返回的int类型指针(这里如果对realloc不太了解的同学可以上网查找相关文档,这里简单阐述一下:realloc就是对第一个行参所指向的堆(heap)内存进行扩容,扩容大小为第二个行参所传值,他的扩容有两种情况,这里就不做过多赘述),扩容大小为原来的容量加16,然后在判断一下扩容是否成功,成功后,将扩容后的地址赋值给原指针,在将容量加16,扩容操作就此完成。
之后的操作看代码上的注释即可。
6、队列的出队操作
void Queue_pop(queue* p) {
assert(p != NULL); //判断队列是否存在
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)p; //进行强制转换,使后续可以操作队列
if (Queue_empty(p) == 1) { //调用Queue_empty判断队列是否为空,若为空终止程序
exit(1);
}
ret->front = (ret->front + 1) % ret->capacity; //出队后,队头下标往前移动, %capacity防止下标溢出
return;
}
7、返回队头
int Queue_top(queue* p) {
assert(p != NULL); //判断队列是否存在
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)p; //进行强制转换,使后续可以操作队列
if (Queue_empty(ret) == 1) { //调用Queue_empty判断队列是否为空, 若为空终止程序
printf("Queue = empty\n");
exit(1);
}
return ret->m[ret->front]; //返回队头数据
}
8、返回队列长度
int Queue_size(queue* p) {
assert(p != NULL); //判断队列是否存在
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)p; //进行强制转换,使后续可以操作队列
return (ret->tail - ret->front + ret->capacity) % ret->capacity;
}
这里返回值的计算我们需要从两方面去考虑:
1.如图:
当rear >= front 时 我们的返回值就为 rear - front。
可我们这是循环队列,所以就会发生 rear < front,因此我们就需要多考虑一种可能。
2.如图:
当rear < front 时 我们的返回值就为 rear - front + capacity。
综上两种可能得出 队列长度为 (rear - front + capacity)% capacity。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-735896.html
9、放回队列容量大小
int Queue_capacity(queue* p) {
assert(p != NULL); //判断队列是否存在
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)p; //进行强制转换,使后续可以操作队列
return ret->capacity;
}
10、销毁队列
void Queue_clear(queue**p) { //利用二级指针,控制指针
assert(p != NULL); //判断队列是否存在
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)*p; //进行强制转换,使后续可以操作队列
free(ret->m); //将数组进行销毁
free(ret); //将队列结构体进行销毁
*p = NULL; //将指针指向NULL,防止成为野指针
return;
}
四、完成队列(队列完整代码)
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
typedef void queue;
typedef struct Tag_Queue {
int* m;
int front;
int tail;
int capacity;
}Tag_Queue;
queue* Queue_init(int number = 0) {
assert(number >= 0);
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)malloc(sizeof(Tag_Queue));
if (ret == NULL) {
printf("ret == NULL\n");
exit(1);
}
ret->m = (int*)calloc((size_t)number + (size_t)1, sizeof(int));
if (ret == NULL) {
printf("ret->m == NULL\n");
exit(1);
}
ret->front = 0;
ret->tail = 0;
ret->capacity = number;
return ret;
}
int Queue_empty(queue* q) {
assert(q != NULL);
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)q;
if (ret->front == ret->tail) {
return 1;
}
else {
return 0;
}
}
void Queue_push(queue* q, int size) {
assert(q != NULL);
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)q;
if ((ret->tail + 1) % ret->capacity == ret->front) {
int* temp = (int*)realloc(ret->m, sizeof(int) * ((size_t)ret->capacity + (size_t)16));
if (temp == NULL) {
printf("temp == NULL\n");
exit(1);
}
ret->m = temp;
ret->capacity = ret->capacity + 16;
}
ret->m[ret->tail] = size;
ret->tail = (ret->tail + 1) % ret->capacity;
return;
}
int Queue_top(queue* p) {
assert(p != NULL);
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)p;
if (Queue_empty(ret) == 1) {
printf("Queue = empty\n");
exit(1);
}
return ret->m[ret->front];
}
void Queue_pop(queue* p) {
assert(p != NULL);
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)p;
if (Queue_empty(p) == 1) {
exit(1);
}
ret->front = (ret->front + 1) % ret->capacity;
return;
}
int Queue_size(queue* p) {
assert(p != NULL);
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)p;
return (ret->tail - ret->front + ret->capacity) % ret->capacity;
}
int Queue_capacity(queue* p) {
assert(p != NULL);
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)p;
return ret->capacity;
}
void Queue_clear(queue**p) {
assert(p != NULL);
Tag_Queue* ret = (Tag_Queue*)*p;
free(ret->m);
free(ret);
*p = NULL;
return;
}
五、结束语
写完后,发现写的有点长,哈哈哈!!回头看了看,发现有一些地方有点啰嗦,想把她们删掉,但再三考虑后还是没有删,如果能看到这里,真的是非常感谢,如果哪有疑问或本章哪个位置出来了错误或者有什么建议,可以在评论区进行评论,感觉支持!文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-735896.html
到了这里,关于入门数据结构,c语言实现循环队列实现(详细篇)。的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!