球钟问题的解决--栈和队列

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分类专栏：数据结构文章标签：存储数据 c语言栈

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球钟问题描述:球钟是一个利用球的移动来记录时间的简单装置。它有三个可以容纳若干个球的指示器：分钟指示器，五分钟指示器，小时指示器。若分钟指示器中有2个球，5分钟指示器中有6个球，小时指示器中有5个球，则时间为5:32。

工作原理:每过一分钟，球钟就会从球队列的队首取出一个球放入分钟指示器，分钟指示器最多可容纳4个球。当放入第五个球时，在分钟指示器的4个球就会按照他们被放入时的相反顺序加入球队列的队尾。而第五个球就会进入分钟指示器。按此类推，五分钟指示器最多可放11个球，小时指示器最多可放11个球。当小时指示器放入第12个球时，原来的11个球按照他们被放入时的相反顺序加入球队列的队尾，然后第12个球也回到队尾。这时，三个指示器均为空，回到初始状态，从而形成一个循环。因此，该秋种表示的时间范围是从00:00到11:59

请看示意图（图是从网上找的，不好勿喷啊！！）：

思考：

要想表示00:00到12：00需要多少个球?假设，指示器都为空，球队列需要多长时间能回到原来的状态?

答案是总共组要27个球，当每个指示器满的时候，为了保证队列不为空，所以为4+11+11+1=27。下面解决第二个问题：

这里我为了管理方便，采用了make工程管理器，总共有以下几个文件：

main.c queue.c stack.c queue.h stack.h Makefile

这里的main文件不用说，肯定就是主函数，而stack.c和queue.c是分别定义栈和队列操作的函数，而两个头文件是定义这些函数的接口。

搞清楚了文件之间的关系后，请看源码：

queue.c文件：

[cpp]view plaincopy 
     
 <span style="font-family:SimSun;font-size:12px;">/************************************************************************* 
     > File Name: queue.c 
     > Author: Baniel Gao  
     > Mail: createchance@163.com  
     > Blog: blog.youkuaiyun.com/createchance  
     > Created Time: 2013年12月21日 星期六 11时13分10秒 
  ************************************************************************/  
 #include "queue.h"  
   
 linkqueue_st *linkqueue_init(int size)  
 {  
     linkqueue_st *queue = NULL;  
   
     queue = (linkqueue_st *)malloc(sizeof(linkqueue_st));  
     queue->total = size;  
     queue->current = 0;  
     queue->head = linkqueue_node_create(0);  
     queue->tail = queue->head;  
   
     return queue;  
 }  
   
 nodequeue_st *linkqueue_node_create(int value)  
 {  
     nodequeue_st *node = NULL;  
   
     node = (nodequeue_st *)malloc(sizeof(nodequeue_st));  
     node->data = value;  
     node->next = NULL;  
   
     return node;  
 }  
   
 int linkqueue_enqueue(linkqueue_st *queue, int value)  
 {  
     nodequeue_st *new = NULL;  
   
     if(linkqueue_isfull(queue))  
         return -1;  
     new = linkqueue_node_create(value);  
     queue->tail->next = new;  
     queue->tail = new;  
     queue->current++;  
   
     return 0;  
 }  
   
 int linkqueue_dequeue(linkqueue_st *queue, int *value)  
 {  
     nodequeue_st *tmp;  
   
     if(linkqueue_isempty(queue))  
         return -1;  
     tmp = queue->head;  
     *value = tmp->next->data;  
     queue->head = tmp->next;  
     free(tmp);  
     queue->current--;  
   
     return 0;  
 }  
   
 int linkqueue_isfull(linkqueue_st *queue)  
 {  
     if(queue->current == queue->total)  
         return 1;  
     return 0;  
 }  
   
 int linkqueue_isempty(linkqueue_st *queue)  
 {  
     if(queue->current == 0)  
         return 1;  
     return 0;  
 }  
   
 int linkqueue_free(linkqueue_st *queue)  
 {  
     nodequeue_st *p = queue->head;  
     nodequeue_st *tmp;  
   
     while(p != NULL) {  
         tmp = p;  
         p = p->next;  
         free(tmp);  
     }  
     free(queue);  
   
     return 0;  
 }</span>  

这里的栈是使用的链式存储实现的，具体的思想请看本人的前几个帖子。

stack.c：

[cpp]view plaincopy 
     
 <span style="font-family:SimSun;font-size:12px;">/************************************************************************* 
     > File Name: stack.c 
     > Author: Baniel Gao  
     > Mail: createchance@163.com  
     > Blog: blog.youkuaiyun.com/createchance  
     > Created Time: 2013年12月21日 星期六 11时13分18秒 
  ************************************************************************/  
 #include "stack.h"  
   
 seqstack_st *seqstack_init(int size)  
 {  
     seqstack_st *stack = NULL;  
   
     stack = (seqstack_st *)malloc(sizeof(seqstack_st));  
     stack->total = size;  
     stack->top = 0;  
     stack->data = (int *)malloc(sizeof(int) * size);  
   
     return stack;  
 }  
   
 int seqstack_push(seqstack_st *stack, int value)  
 {  
     if(seqstack_isfull(stack))  
         return -1;  
     stack->data[stack->top++] = value;  
   
     return 0;  
 }  
   
 int seqstack_pop(seqstack_st *stack, int *value)  
 {  
     if(seqstack_isempty(stack))  
         return -1;  
     *value = stack->data[--stack->top];  
   
     return 0;  
 }  
   
 int seqstack_isfull(seqstack_st *stack)  
 {  
     if(stack->top == stack->total)  
         return 1;  
     return 0;  
 }  
   
 int seqstack_isempty(seqstack_st *stack)  
 {  
     if(stack->top == 0)  
         return 1;  
     return 0;  
 }  
   
 int seqstack_free(seqstack_st *stack)  
 {  
     free(stack->data);  
     free(stack);  
   
     return 0;  
 }</span>  

这里的栈实现是使用的连续存储实现的，具体的思想比较简单，就不多说了。

两个头文件：

queue.h：

[cpp]view plaincopy 
     
 <span style="font-family:SimSun;font-size:12px;">/************************************************************************* 
     > File Name: queue.h 
     > Author: Baniel Gao  
     > Mail: createchance@163.com  
     > Blog: blog.youkuaiyun.com/createchance  
     > Created Time: 2013年12月21日 星期六 12时01分54秒 
  ************************************************************************/  
 #ifndef _QUEUE_H_  
 #define _QUEUE_H_  
   
 #include <stdio.h>  
 #include <stdlib.h>  
   
 typedef struct _nodequeue_ {  
     int data;  
     struct _nodequeue_ *next;  
 } nodequeue_st;  
   
 typedef struct _linkqueue_ {  
     int total;  
     int current;  
     nodequeue_st *head;  
     nodequeue_st *tail;  
 } linkqueue_st;  
   
 linkqueue_st *linkqueue_init(int size);  
 nodequeue_st *linkqueue_node_create(int value);  
 int linkqueue_enqueue(linkqueue_st *queue, int value);  
 int linkqueue_isfull(linkqueue_st *queue);  
 int linkqueue_dequeue(linkqueue_st *queue, int *value);  
 int linkqueue_isempty(linkqueue_st *queue);  
 int linkqueue_free(linkqueue_st *queue);  
   
 #endif</span>  

stack.h：

[cpp]view plaincopy 
     
 <span style="font-family:SimSun;font-size:12px;">/************************************************************************* 
     > File Name: stack.h 
     > Author: Baniel Gao  
     > Mail: createchance@163.com  
     > Blog: blog.youkuaiyun.com/createchance  
     > Created Time: 2013年12月21日 星期六 11时58分18秒 
 ************************************************************************/  
 #ifndef _STACK_H_  
 #define _STACK_H_  
   
 #include <stdio.h>  
 #include <stdlib.h>  
   
 typedef struct _seqstack_ {  
     int total;  
     int top;  
     int *data;  
 } seqstack_st;  
   
 seqstack_st *seqstack_init(int size);  
 int seqstack_push(seqstack_st *stack, int value);  
 int seqstack_isfull(seqstack_st *stack);  
 int seqstack_pop(seqstack_st *stack, int *value);  
 int seqstack_isempty(seqstack_st *stack);  
 int seqstack_free(seqstack_st *stack);  
   
 #endif</span>  

下面请看最关键的主函数的实现：

main.c：

[cpp]view plaincopy 
     
 <span style="font-family:SimSun;font-size:12px;">/************************************************************************* 
     > File Name: main.c 
     > Author: Baniel Gao  
     > Mail: createchance@163.com  
     > Blog: blog.youkuaiyun.com/createchance  
     > Created Time: 2013年12月21日 星期六 11时13分24秒 
  ************************************************************************/  
 #include "queue.h"  
 #include "stack.h"  
   
 int queue_check(linkqueue_st *queue);  
 void debug(linkqueue_st *queue);  
   
 int main(void)  
 {  
     int timer = 0;  
     int value = 1;  
     int tmp;  
     int queue_size = 27;  
     int stack_m1_size = 4;  
     int stack_m5_size = 11;  
     int stack_h1_size = 11;  
     linkqueue_st *queue;  
     seqstack_st *stack_m1;  
     seqstack_st *stack_m5;  
     seqstack_st *stack_h1;  
       
     queue = linkqueue_init(queue_size);  
     stack_m1 = seqstack_init(stack_m1_size);  
     stack_m5 = seqstack_init(stack_m5_size);  
     stack_h1 = seqstack_init(stack_h1_size);  
     while(-1 != linkqueue_enqueue(queue, value))  
         value++;  
     while(1) {  
         linkqueue_dequeue(queue, &value);  
         if(-1 != seqstack_push(stack_m1, value))  
             continue;  
       
         while(-1 != seqstack_pop(stack_m1, &tmp))  
             linkqueue_enqueue(queue, tmp);  
       
         if(-1 != seqstack_push(stack_m5, value))  
             continue;  
   
         while(-1 != seqstack_pop(stack_m5, &tmp))  
             linkqueue_enqueue(queue, tmp);  
   
         if(-1 != seqstack_push(stack_h1, value))  
             continue;  
   
         while(-1 != seqstack_pop(stack_h1, &tmp))  
             linkqueue_enqueue(queue, tmp);  
   
         linkqueue_enqueue(queue, value);  
         timer++;  
         debug(queue);  
         if(queue_check(queue))  
             break;  
     }  
     printf("The time is %d hours!\n", timer*12);  
   
   
     linkqueue_free(queue);  
     seqstack_free(stack_m1);  
     seqstack_free(stack_m5);  
     seqstack_free(stack_h1);  
   
     return 0;  
 }  
 void debug(linkqueue_st *queue)  
 {  
     nodequeue_st *p = queue->head->next;  
   
     while(p != NULL) {  
         printf("%d  ", p->data);  
         p = p->next;  
     }  
     putchar('\n');  
 }  
   
 int queue_check(linkqueue_st *queue)  
 {  
     nodequeue_st *p = queue->head->next;  
   
     while(p != NULL && p->next != NULL) {  
         if(p->data > p->next->data)  
             return 0;  
         p = p->next;  
     }  
   
     return 1;  
 }</span>  

其中的debug函数是为了方便调试而设置的，并且可以用它来打印每隔12个小时的队列情况

下面是Makefile：

[cpp]view plaincopy 
     
 <span style="font-family:SimSun;font-size:12px;">CC:= gcc  
 CFLAGS:= -Wall -O2 -c  
 OBJ:= ballclock  
   
 .PHONY: clean memcheck  
   
 $(OBJ): main.o stack.o queue.o  
     $(CC) -o $@ $^  
 main.o: main.c stack.h queue.h  
     $(CC) -o $@ $< $(CFLAGS)  
 queue.o: queue.c queue.h  
     $(CC) -o $@ $< $(CFLAGS)  
 stack.o: stack.c stack.h  
     $(CC) -o $@ $< $(CFLAGS)  
   
 clean:  
     rm -rf *.o $(OBJ)  
   
 memcheck:  
     valgrind --tool=memcheck ./$(OBJ)</span>  