数据结构编程笔记十：第三章 栈和队列 循环队列的实现

上次我们一起看了链队列的实现，这次一起来看看队列的顺序存储方式实现——循环队列。

还是老规矩：

程序在码云上可以下载。
地址：https://git.oschina.net/601345138/DataStructureCLanguage.git

队列的ADT描述请参考上一篇文章《数据结构编程笔记九：第三章 栈和队列 链队列的实现》：
http://blog.youkuaiyun.com/u014576141/article/details/77418397

循环队列和链队列的区别主要是存储结构上的区别：循环队列采用顺序存储结构，链队列采用链式存储结构。两者在操作上也有所差别：循环队列的存储空间是固定的，不允许扩容，所以入队操作要先判断队列是否满才可以入队，但是链队列不需要判断队列是否满就可以做入队操作，且链队列就是通过逐个申请结点的方式来实现队列的。

循环队列的长度是预先设定且不允许在运行过程中改变的，这个长度的设置很有学问，设置的小了队列空间不够用，很多结点无法入队，设置的大了，则会造成空间浪费。

一起来看看循环队列的实现：

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>引入头文件<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

#include <stdio.h>   //使用了标准库函数 printf(),scanf()
#include <stdlib.h>  //使用了动态内存分配函数 malloc(),free()

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>自定义符号常量<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< 

#define OVERFLOW -2         //内存溢出错误常量
#define OK 1                //表示操作正确的常量 
#define ERROR 0             //表示操作错误的常量
#define MAXQSIZE 100        //队列的最大长度
#define TRUE 1              //表示逻辑为真的常量 
#define FALSE 0             //表示逻辑为假的常量

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>自定义数据类型<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

typedef int Status;         //用typedef给int起个别名，也便于程序的维护 
typedef float QElemType;    //用typedef给float起个别名，也便于程序的维护
typedef struct {            //循环队列的C语言描述 

    QElemType *base;        //初始化动态分配存储空间
    int front;              //头指针，若队列不空，指向队头元素 
    int rear;               //尾指针，若队列不空，指向队尾元素的下一个位置 
}SqQueue; 

//------------------------循环队列的主要操作--------------------------

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>1.初始化循环队列<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：InitQueue_Sq
    参数：SqQueue &Q 循环队列引用 
    返回值：状态码，操作成功返回OK 
    作用：构建一个空队列 Q
*/
Status InitQueue_Sq(SqQueue &Q) {

    //申请内存空间，若失败则提示并退出程序
    //if(!(Q.base = (QElemType *)malloc(MAXQSIZE * sizeof(QElemType))))
    //相当于以下两行代码：
    //Q.base = (QElemType *)malloc(MAXQSIZE * sizeof(QElemType))
    //if(!Q.base)  <=>  if(Q.base == NULL)
    if(!(Q.base = (QElemType *)malloc(MAXQSIZE * sizeof(QElemType)))){
        printf("内存分配失败，程序即将退出！\n");
        exit(OVERFLOW);
    }//if

    //由于刚申请的空间没有元素入队，所以队列为空 
    //Q.front == Q.rear是队列为空的标志 
    Q.front = Q.rear = 0;

    //操作成功 
    printf("循环队列已成功创建！\n");
    return OK;
}//InitQueue_Sq

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>2.销毁循环队列<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：DestoryQueue_Sq
    参数：SqQueue &Q 循环队列引用 
    返回值：状态码，操作成功返回OK 
    作用：销毁循环队列 Q
*/
Status DestoryQueue_Sq(SqQueue &Q) {

    //循环队列采用连续的存储空间，直接找到首地址释放空间即可 
    if(Q.base) { 
        free(Q.base);
    }//if

    //指针置空，释放掉指针变量本身占用的空间 
    Q.base = NULL;

    //队头和队尾指针归零，队列为空 
    Q.front = Q.rear = 0;

    //操作成功 
    printf("循环队列已成功销毁！\n");
    return OK;
}//DestoryQueue_Sq

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>3.判断循环队列是否为空<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：QueueEmpty_Sq
    参数：SqQueue Q 循环队列Q 
    返回值：状态码，队列为空返回TRUE，否则返回FALSE 
    作用：判断循环队列 Q是否为空 
*/
Status QueueEmpty_Sq(SqQueue Q) {

    //Q.rear == Q.front是队列为空的标志 
    if(Q.rear == Q.front) { 
        return TRUE; 
    }//if 
    else {
        return FALSE;
    }//else  
}//QueueEmpty_Sq

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>4.获取循环队列的长度<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：QueueLength_Sq
    参数：SqQueue Q 循环队列Q 
    返回值：队列Q中的数据元素个数，即队列长度
    作用：获取队列长度 
*/
int QueueLength_Sq(SqQueue Q) {

    //注意：不可以直接用(Q.rear - Q.front) % MAXQSIZE表示队列长度，
    //因为如果Q.rear - Q.front所得数字是负数或者小于MAXQSIZE，
    //则所得结果是不正确的。所以一定要先加上一个MAXQSIZE再做模运算 
    return (Q.rear - Q.front + MAXQSIZE) % MAXQSIZE; 
}//QueueLength_Sq

//>>>>>>>>>>>>>>>>>5.在循环队列中插入元素（入队）<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：EnQueue_Sq
    参数：SqQueue Q 循环队列Q
          QElemType e 被插入元素e 
    返回值：状态码，操作成功返回OK，否则返回ERROR 
    作用：插入元素e为Q的新的队尾元素e  
*/
Status EnQueue_Sq(SqQueue &Q, QElemType e) {

    //由于循环队列使用顺序存储结构，插入时需要判断队列是否满
    //判断队列满的标志：(Q.rear + 1) % MAXQSIZE == Q.front
    if((Q.rear + 1) % MAXQSIZE == Q.front) {  //队列满

        //操作失败 
        return ERROR;
    }//if

    //把e插入到队尾 
    Q.base[Q.rear] = e;

    //每插入一个新队尾元素，尾指针增一
    Q.rear = (Q.rear + 1) % MAXQSIZE;

    //操作成功 
    return OK; 
}//EnQueue_Sq

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>6.在循环队列中删除元素（出队）<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：DeQueue_Sq
    参数：SqQueue Q 循环队列Q
          QElemType &e 带回被删除的元素e 
    返回值：状态码，操作成功返回OK，否则返回ERROR 
    作用：队列不空,则删除Q的队头元素,用e返回其值
*/
Status DeQueue_Sq(SqQueue &Q, QElemType &e) {

    //在空队列中执行出队操作没有意义，所以要先判断队列是否为空 
    //if(QueueEmpty_Sq(Q)) <=> if(QueueEmpty_Sq(Q) == TRUE)
    if(QueueEmpty_Sq(Q)) { //队列空 

        //操作失败 
        return ERROR;
    }//if

    //保存被删除元素的值 
    e = Q.base[Q.front];

    //每当删除队头元素时，头指针增1 
    Q.front = (Q.front + 1) % MAXQSIZE;

    //操作成功 
    return OK; 
}//DeQueue_Sq

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>7.置空循环队列<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：ClearQueue_Sq
    参数：SqQueue &Q 循环队列引用 
    返回值：状态码，操作成功返回OK，否则返回ERROR 
    作用：将Q清空 
*/
Status ClearQueue_Sq(SqQueue &Q) {

    //队头队尾指针清零 
    Q.front = Q.rear = 0;

    //操作成功    
    printf("链队列已清空，长度为：%d\n", QueueLength_Sq(Q));
    return OK; 
}//ClearQueue_Sq

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>8.遍历整个循环队列<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：Print
    参数：ElemType e 被访问的元素 
    返回值：状态码，操作成功返回OK，操作失败返回ERROR 
    作用：访问元素e的函数，通过修改该函数可以修改元素访问方式，
          该函数使用时需要配合遍历函数一起使用。 
*/
Status Print(QElemType e){

    //采用控制台输出的方式访问每个元素 
    printf("%6.2f    ", e);

    //操作成功 
    return OK;
}//Print

/*
    函数：QueueTraverse_Sq
    参数：SqQueue Q 循环链队列Q 
          Status (* visit)(QElemType) 函数指针，指向元素访问函数。 
    返回值：状态码，操作成功返回OK，操作失败返回ERROR 
    作用：调用元素访问函数按出队顺序完成循环队列的遍历，但并未真正执行出队操作 
*/
Status QueueTraverse_Sq(SqQueue Q, Status (* visit)(QElemType)) {

    //依次访问每个元素 
    for(int i = 0; i < QueueLength_Sq(Q); i++) {

        //一旦访问失败则遍历失败
        //if(visit(Q.base[i]) != NULL)
        if(!visit(Q.base[i])) {
            return ERROR;
        }//if 
    }//for 

    //操作成功 
    return OK; 
}//QueueTraverse_Sq

//>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>9.获取队头元素的值<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<

/*
    函数：GetHead_Sq
    参数：SqQueue Q 循环链队列Q 
          QElemType &e 带回队头元素的值 
    返回值：状态码，操作成功返回OK，操作失败返回ERROR 
    作用：获取队头元素的值并由e带回该值 
*/
Status GetHead_Sq(SqQueue Q, QElemType &e) {

    //如果队列为空，则获取不到队头元素的值，所以要先判断队列是否空
    //if(QueueEmpty_Sq(Q)) <=> if(QueueEmpty_Sq(Q) == TRUE) 
    if(QueueEmpty_Sq(Q)) { //队列空

        //无法获取队头元素，操作失败 
        return ERROR;
    }//if

    //获取队头元素的值并保存到e 
    e = Q.base[Q.front];

    //操作成功 
    return OK; 
}//GetHead_Sq

//--------------------------主函数---------------------------------- 
int main(int argc,char *argv[]){

    //循环队列Q 
    SqQueue Q;

    //临时变量e，用于保存待插入元素，被删除元素和队头元素 
    QElemType e;

    //n用于接收从键盘输入的队列长度 
    int n;

    printf("\n----------------------------------循环队列-----------------------------------\n"); 

    printf("->初始化循环队列\n");
    InitQueue_Sq(Q);
    printf("此时队列长度为：%d\n", QueueLength_Sq(Q));

    printf("->测试入队操作");
    printf("您想输入几个元素:");
    scanf("%d", &n);
    printf("请输入所有元素，用空格隔开\n");
    for(int i = 0; i < n; i++){
        scanf("%f", &e);
        EnQueue_Sq(Q, e);
    }//for
    printf("入队后的结果为\n");
    QueueTraverse_Sq(Q, Print);
    printf("\n此时队列长度为：%d\n", QueueLength_Sq(Q));

    printf("->测试出队和获取队头操作\n");
    GetHead_Sq(Q, e);
    printf("队头元素为%6.2f\n", e);
    while(!QueueEmpty_Sq(Q)){
        DeQueue_Sq(Q, e);
        printf("元素%6.2f出队  \n", e);
    }//while
    printf("\n此时队列长度为：%d\n", QueueLength_Sq(Q));

    printf("->测试销毁队列操作");
    DestoryQueue_Sq(Q);

    return 0;
}//main

输入的测试数据和对应输出：

----------------------------------循环队列-----------------------------------
->初始化循环队列
循环队列已成功创建！
此时队列长度为：0
->测试入队操作您想输入几个元素:10
请输入所有元素，用空格隔开
2 4 8 9 5 7 6 2 4 1
入队后的结果为
  2.00      4.00      8.00      9.00      5.00      7.00      6.00      2.00
  4.00      1.00    
此时队列长度为：10
->测试出队和获取队头操作
队头元素为  2.00
元素  2.00出队
元素  4.00出队
元素  8.00出队
元素  9.00出队
元素  5.00出队
元素  7.00出队
元素  6.00出队
元素  2.00出队
元素  4.00出队
元素  1.00出队

此时队列长度为：0
->测试销毁队列操作循环队列已成功销毁！

--------------------------------
Process exited with return value 0
Press any key to continue . . .

总结：
1.循环队列空的标志：Q.rear == Q.front
2.循环队列满的标志：(Q.rear + 1) % MAXQSIZE == Q.front
3.循环队列的长度：(Q.rear - Q.front + MAXQSIZE) % MAXQSIZE

循环队列中最重要的就是这三个标志，考研也喜欢考（主要是选择题），一定要牢记。

下次的文章会介绍顺序定长串的实现以及基于顺序串的两种模式匹配算法的实现。希望大家继续关注我的博客，再见！