DS：循环队列的实现

                                                 创作不易，给个三连吧！！ 

一、前言

对于循环队列，博主也是源自于一道力扣的OJ题

力扣：循环队列的设置

      后来我在网上查过，这个循环队列是有自己的应用场景的！！并不是出题者为了出题而产生的，所以我觉得不光要能做会这道题，还得多去探究这道题的不同方式。而且这道题虽然是循环队列，看似好像要把头和尾连起来，但实际上实现过程中是可以不需要的！这也是他非常特别的一点，因此在这我会重点介绍他的数组实现和链式结构实现。

二、数组实现循环队列

怎么用数组去实现循环队列呢？我们来画图研究一下：

2.1 结构体的创建

typedef int QDataType;
typedef struct MyCircularQueue
{  
	QDataType* a;//动态数组
	int capacity;//记录循环队列的容量
	int front;//记录队首
	int rear;//记录队尾
} MyCircularQueue;

2.2 构造一个k长度的队列并返回

根据我们之前的思路，我们要多创建一块空间！！

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) 
{
	MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
	if (obj == NULL)
	{
		perror("malloc obj fail");
		exit(1);
	}
	obj->a = (QDataType*)malloc(sizeof(QDataType) * (k + 1));
	if (obj->a == NULL)
	{
		perror("malloc obj->a fail");
		exit(1);
	}
	obj->front = obj->rear = 0;
	obj->capacity = k;
	return obj;
}

2.3 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。 

我们要往循环队列中插入一个元素，那么首先必须确保队列不为满（后面会封装），那我们之前分析过队列不为满的情况是rear指针的下一个位置是front，但是我们要注意一个特殊情况，如下图：

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, QDataType value)
{
	if (myCircularQueueIsFull(obj))
		return false;
	obj->a[obj->rear] = value;
	obj->rear++;
	obj->rear %= (obj->capacity + 1);
	return true;
}

 但是我们要注意的是实际上我们是多开了一个空间！！！%的时候要把多的空间算上

2.4 向循环队列删除一个元素。如果成功删除则返回真。

我们要往循环队列中删除一个元素，那么首先必须确保队列不为空（后面会封装），front++就行了，同样front也会遇到上面这种情况，处理当时一样，++完后%上数组的实际大小

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) 
{
	if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
		return false;
	obj->front++;
	obj->front %= (obj->capacity + 1);
	return true;
}

2.5 从队首获取元素。如果队列为空，返回 - 1 

直接取头指针就行了

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)
{
	if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
		return -1;
	return obj->a[obj->front];
}

2.6 从队尾获取元素。如果队列为空，返回 - 1 

要注意rear指针指向的是最后一个元素的下一个位置，所以要取得的话就要找到rear的前一个位置的下标，这里我们不能直接让rear--，因为我们只是获取队列尾的元素，并不能去改变rear的指向，所以我们要算出rear前面那个位置的下标，其实也是一样，利用%的修正，让rear加上数组实际大小-1，然后再%数组的大小，就刚还是rear前面的位置的下标了！！

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) 
{
	if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
		return -1;
	return obj->a[(obj->rear + obj->capacity) % (obj->capacity + 1)];
}

2.7 判断循环队列是否为空

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) 
{
	return obj->front == obj->rear;
}

2.8 判断循环队列是否为满

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)
{
	return (obj->rear + 1)%(obj->capacity + 1) ==obj->front;//rear为k的时候正好
}

2.9 销毁循环队列

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj)
{
	free(obj->a);//没必要置空，因为obj用不了，obj->a也用不了  front rear k 也没必要释放
	free(obj);
	//obj = NULL;
}

2.10 全部代码

2.10.1 MyCircularQueue.h

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
 
typedef int QDataType;
typedef struct MyCircularQueue
{  
	QDataType* a;//动态数组
	int capacity;//记录循环队列的容量
	int front;//记录队首
	int rear;//记录队尾
} MyCircularQueue;
 
 
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k);//构造一个k长度的队列
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, QDataType value);// 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj);// 向循环队列删除一个元素。如果成功删除则返回真。
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj); //从队首获取元素。如果队列为空，返回 - 1 。
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj);//从队尾获取元素。如果队列为空，返回 - 1 。
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);//判断循环队列是否为空
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj);//判断循环队列是否为满
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj);//销毁循环队列

 2.10.2 MyCircularQueue.c

#include"MyCircularQueue.h"
 
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) 
{
	MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
	if (obj == NULL)
	{
		perror("malloc obj fail");
		exit(1);
	}
	obj->a = (QDataType*)malloc(sizeof(QDataType) * (k + 1));
	if (obj->a == NULL)
	{
		perror("malloc obj->a fail");
		exit(1);
	}
	obj->front = obj->rear = 0;
	obj->capacity = k;
	return obj;
}
 
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, QDataType value)
{
	if (myCircularQueueIsFull(obj))
		return false;
	obj->a[obj->rear] = value;
	obj->rear++;
	obj->rear %= (obj->capacity + 1);
	return true;
}
 
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) 
{
	if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
		return false;
	obj->front++;
	obj->front %= (obj->capacity + 1);
	return true;
}
 
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)
{
	if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
		return -1;
	return obj->a[obj->front];
}
 
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) 
{
	if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
		return -1;
	return obj->a[(obj->rear + obj->capacity) % (obj->capacity + 1)];
}
 
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) 
{
	return obj->front == obj->rear;
}
 
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)
{
	return (obj->rear + 1)%(obj->capacity + 1) ==obj->front;//rear为k的时候正好
}
 
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj)
{
	free(obj->a);//没必要置空，因为obj用不了，obj->a也用不了  front rear k 也没必要释放
	free(obj);
	//obj = NULL;
}

2.11 相关选择题

5.现有一循环队列，其队头指针为front，队尾指针为rear；循环队列长度为N。其队内有效长度为？(假设队头不存放数据)（ ？）
A (rear - front + N) % N + 1
B (rear - front + N) % N
C (rear - front) % (N + 1)
D (rear - front + N) % (N - 1)

答：这题就是根据我们上面那道题的一个变形，所以我们知道肯定是%上长度的，所以可以直接选B

三、链式结构实现循环队列

怎么用链式结构来实现循环队列呢？我们来分析一下：

3.1 结构体的创建

我们按照链式队列的思路，创建一个队列结构体来管理头尾指针，同时加上capacity（容量）和size（有效数据）

typedef int QDataType;
typedef struct QNode
{
	struct QNode* next;//节点
	QDataType val;//数据域
}QNode;
 
typedef struct MyCircularQueue
{
	QNode* front;//链表的头指针
	QNode* rear;//链表的尾指针
	int capacity;//记录链表的容量
	int size;//记录链表的有效节点
}MyCircularQueue;

3.2 构造一个k长度的队列并返回

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k)
{
    MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    if (obj == NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        exit(1);
    }
    obj->front = obj->rear = NULL;
    obj->size = 0;
    obj->capacity = k;
    return obj;
}

3.3 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, QDataType value)
{
    //如果为满了，直接就返回false
    if (myCircularQueueIsFull(obj))
        return false;
    //不满足就创建节点
    QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
    if (newnode == NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        exit(1);
    }
    newnode->val = value;
    newnode->next = NULL;
    //创建成功，要考虑队列为空和不为空的情况
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))//为空，让新节点成为头
        obj->front = obj->rear = newnode;
    else//不为空，让tail继续往后遍历
    {
        obj->rear->next = newnode;
        obj->rear = newnode;
    }
    obj->size++;
    return true;
}

3.4 向循环队列删除一个元素。如果成功删除则返回真。

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj)
{
    //为空就没有删的必要了
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return false;
    //不为空，删除头节点，让下一个节点成为新的头，然后释放掉
    QNode* cur = obj->front->next;
    free(obj->front);
    obj->front = cur;
    obj->size--;
    return true;
}

3.5 从队首获取元素。如果队列为空，返回 - 1 

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)
{
    //为空，返回1
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    //不为空，就获取头指针的数据
    return obj->front->val;
}

3.6 从队尾获取元素。如果队列为空，返回 - 1

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)
{
    //为空，返回1
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    //不为空，就获取尾指针的数据
    return obj->rear->val;
}

3.7 判断循环队列是否为空

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj)
{
    return obj->size == 0;
}

3.8 判断循环队列是否为满

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)
{
    return obj->size == obj->capacity;
}

3.9 销毁循环队列

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj)
{
    //本质是链表，要一个个释放
    QNode* pcur = obj->front;//用来遍历删除的
    while (pcur)
    {
        QNode* next= pcur->next;
        free(pcur);
        pcur = next;
    }
    free(obj);
}

3.10 全部代码

3.10.1 MyCircularQueue.h

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdbool.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
 
typedef int QDataType;
typedef struct QNode
{
	struct QNode* next;//节点
	QDataType val;//数据域
}QNode;
 
typedef struct MyCircularQueue
{
	QNode* front;//链表的头指针
	QNode* rear;//链表的尾指针
	int capacity;//记录链表的容量
	int size;//记录链表的有效节点
}MyCircularQueue;
 
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k);//构造一个k长度的队列
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, QDataType value);// 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj);// 向循环队列删除一个元素。如果成功删除则返回真。
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj); //从队首获取元素。如果队列为空，返回 - 1 。
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj);//从队尾获取元素。如果队列为空，返回 - 1 。
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);//判断循环队列是否为空
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj);//判断循环队列是否为满
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj);//销毁循环队列

3.10.2 MyCircularQueue.c

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k)
{
    MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    if (obj == NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        exit(1);
    }
    obj->front = obj->rear = NULL;
    obj->size = 0;
    obj->capacity = k;
}
 
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, QDataType value)
{
    //如果为满了，直接就返回false
    if (myCircularQueueIsFull(obj))
        return false;
    //不满足就创建节点
    QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
    if (newnode == NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        exit(1);
    }
    newnode->val = value;
    newnode->next = NULL;
    //创建成功，要考虑队列为空和不为空的情况
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))//为空，让新节点成为头
        obj->front = obj->rear = newnode;
    else//不为空，让tail继续往后遍历
    {
        obj->rear->next = newnode;
        obj->rear = newnode;
    }
    obj->size++;
    return true;
}
 
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj)
{
    //为空就没有删的必要了
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return false;
    //不为空，删除头节点，让下一个节点成为新的头，然后释放掉
    QNode* cur = obj->front->next;
    free(obj->front);
    obj->front = cur;
    obj->size--;
    return true;
}
 
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)
{
    //为空，返回1
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    //不为空，就获取头指针的数据
    return obj->front->val;
}
 
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)
{
    //为空，返回1
    if (myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    //不为空，就获取尾指针的数据
    return obj->rear->val;
}
 
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj)
{
    return obj->size == 0;
}
 
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)
{
    return obj->size == obj->capacity;
}
 
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj)
{
    //本质是链表，要一个个释放
    QNode* pcur = obj->front;//用来遍历删除的
    while (pcur)
    {
        QNode* next= pcur->next;
        free(pcur);
        pcur = next;
    }
    free(obj);
}

四、总结

        我们会发现，在这边无论是用数组实现和链表实现，本质上我们只是从逻辑层次上把它认为是相连的，但是物理层次上并没有把它连在一起，虽然链表是可以做到相连的，但是相连的话会比较复杂，不相连我们也可以解决，只要保证我们能够控制得住边界问题就行！！