基于计数器的循环队列实现及优化

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#算法 #c++ #数据结构 #c语言

一、队列的基本概念

队列（Queue）是一种遵循"先进先出"（FIFO, First In First Out）原则的线性数据结构。它在计算机科学领域有着广泛应用，例如：

操作系统中的进程调度与任务排队
网络通信中的数据包缓冲处理
广度优先搜索（BFS）算法的实现
打印机等外设的任务处理队列

队列的核心操作包括：

入队（Enqueue）：在队列尾部插入元素
出队（Dequeue）：从队列头部移除元素
判空（IsEmpty）：判断队列是否为空
获取队头（GetFront）：查看队列头部元素

二、基于计数器的循环队列实现

本次实现的循环队列通过引入计数器（size）来解决传统循环队列的空间浪费问题，下面我们详细解析代码实现：

#include <iostream>
#include <stdio.h>
using namespace std;

#define maxsize 10
typedef int elemtype;

typedef struct queue {
    elemtype data[maxsize];
    int front ,rear;
    int size;

}sq_queue;

1. 数据结构定义

maxsize：定义队列的最大容量为10
elemtype：元素类型别名，此处为int类型
sq_queue：队列结构体，包含三个成员：
- data[maxsize]：存储队列元素的数组
- front：队头指针，指向队头元素
- rear：队尾指针，指向队尾元素的下一个位置
- size：计数器，记录当前队列中的元素个数

关键改进：相比传统循环队列，本实现增加了size变量，用于直接记录队列中元素的数量

2. 队列初始化

void init_queue(sq_queue &q) {
    q.rear=q.front=0;
    q.size=0;
}

初始化操作做了三件事：

将队头指针front置为0
将队尾指针rear置为0
将计数器size置为0，表示初始状态下队列为空

3. 队列判空操作

bool queueempty(sq_queue &q) {
    if (q.size==0) {
        cout<<"队列为空"<<endl;
        return true;
    }
    else
        cout<<"队列不空"<<endl;
    return false;
}

判空逻辑非常直观：

当size为0时，队列为空，返回true
否则队列非空，返回false
同时输出相应的状态提示信息

4. 入队操作

void enqueue(sq_queue &q,elemtype e) {
    if (q.size==maxsize) {
        cout<<"队列已满，无法插入"<<endl;
        return;
    }

    q.data[q.rear]=e;
    q.rear=(q.rear+1)%maxsize;
    q.size++;
    cout<<"插入元素"<<e<<endl;
}

入队操作步骤：

检查队列是否已满：通过判断size是否等于maxsize
若队列未满，将元素e存入rear指向的位置
队尾指针rear循环后移（通过模运算实现循环特性）
计数器size加1，更新元素数量
输出插入成功的提示信息

5. 出队操作

void dequeue(sq_queue &q) {
    if (queueempty(q)) {
        return;
    }

    cout<<"删除元素为"<<q.front<<endl;  // 注意：此处应为q.data[q.front]
    q.front=(q.front+1)%maxsize;
    q.size--;
}

出队操作步骤：

先调用queueempty函数检查队列是否为空，若为空则直接返回
输出要删除的队头元素（注：原代码此处有笔误，应输出q.data[q.front]）
队头指针front循环后移
计数器size减1，更新元素数量

6. 获取队头元素

elemtype gethead(sq_queue &q) {
    if (queueempty(q)) {
       return q.front;  // 队空时返回值不合理，建议返回特殊标记
    }
    else {
        return q.data[q.front];
    }
}

获取队头元素操作：

检查队列是否为空
若队列非空，返回front指针指向的元素
若队列为空，返回front值（此处设计不合理，建议返回-1等特殊标记）

7. 主函数测试

int main() {
    sq_queue q;

    // 测试初始化队列
    cout << "=== 初始化队列 ===" << endl;
    init_queue(q);

    // 测试队列是否为空
    cout << "\n=== 测试队列是否为空 ===" << endl;
    queueempty(q);

    // 测试入队操作
    cout << "\n=== 测试入队操作 ===" << endl;
    enqueue(q, 10);
    enqueue(q, 20);
    enqueue(q, 30);
    enqueue(q, 40);

    // 再次检查队列是否为空
    cout << "\n=== 再次检查队列是否为空 ===" << endl;
    queueempty(q);

    // 测试获取队头元素
    cout << "\n=== 测试获取队头元素 ===" << endl;
    cout << "当前队头元素为: " << gethead(q) << endl;

    // 测试出队操作
    cout << "\n=== 测试出队操作 ===" << endl;
    dequeue(q);
    dequeue(q);

    // 再次获取队头元素
    cout << "\n=== 再次获取队头元素 ===" << endl;
    cout << "当前队头元素为: " << gethead(q) << endl;

    // 测试队列满的情况
    cout << "\n=== 测试队列满的情况 ===" << endl;
    enqueue(q, 50);
    enqueue(q, 60);
    enqueue(q, 70);
    enqueue(q, 80);
    enqueue(q, 90);
    enqueue(q, 100);
    enqueue(q, 110);
    enqueue(q, 120);  // 尝试插入第10个元素（队列最大容量为10）

    // 测试连续出队直到队空
    cout << "\n=== 测试连续出队直到队空 ===" << endl;
    dequeue(q);
    dequeue(q);
    dequeue(q);
    dequeue(q);
    dequeue(q);
    dequeue(q);
    dequeue(q);
    dequeue(q);

    // 测试队空时出队
    cout << "\n=== 测试队空时出队 ===" << endl;
    dequeue(q);

    return 0;
}