数据结构:循环队列的实现(leetcode622.设计循环队列)

摆烂小青菜 2023-10-25 原文

问题来源:622. 设计循环队列 - 力扣（Leetcode）

一.循环队列简单介绍

循环队列一般是一种静态的线性数据结构,其中的数据符合先进先出的原则.
循环队列的容器首地址和容器尾地址通过特定操作(比如指针链接,数组下标取余等方式)相连通,从而实现了容器空间的重复利用(在一个非循环静态队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间)

二.用静态数组实现循环队列

维护队列的结构体:

typedef struct 
{
    int * arry;  //指向堆区数组的指针
    int head;    //队头指针
    int tail;    //队尾指针(指向队尾数据的下一个位置)(不指向有效数据)
    int capacity;//静态队列的容量
} MyCircularQueue;

1.数组循环队列结构设计

我们假定静态数组的容量为k(可存储k个数据)：

根据队列的基本数据结构:有两个指针用于维护数组中的有效数据空间,分别为head指针和tail指针,head指针用于指向队头数据,tail用于指向队尾数据的下一个位置(即tail指针不指向有效数据)
如图所示,head指针和tail指针之间就是有效数据的内存空间

通过head指针和tail指针的关系来实现队列的判满(判断队列空间是否已被占满)与判空(判断队列是否为空队列)；为了达到这个目的,我们需要将静态数组的容量大小设置为k+1(即多设置一个元素空间)

队列的判空条件: tail == head;
队列的判满条件: (tail+1)%(k+1) == head; 另外一种情形:
由此我们可以先设计出队列的判满和判空接口：
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) //判断队列是否为空
{
    assert(obj);
    return (obj->tail == obj->head);
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)  //判断队列是否为满
{
    assert(obj);
    return ((obj->tail+1)%(obj->capacity +1) == obj->head);
}

2.数组循环队列的堆区内存申请接口

在堆区上创建MyCircularQueue结构体,同时为队列申请一个空间大小为(k+1)*sizeof(DataType)字节的数组：

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k)  //k个容量大小的循环队列的初始化接口
{
    MyCircularQueue * tem = (MyCircularQueue *)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    //开辟维护循环队列的结构体
    if(NULL == tem)
    {
        perror("malloc failed");
        exit(-1);
    }
    tem->arry = NULL;
    tem->capacity = k;   
    //队列的数据容量为k
    tem->arry = (int*)malloc((k+1)*sizeof(int));
    //开辟堆区数组
    if(NULL == tem->arry)
    {
        perror("malloc failed");
        exit(-1);
    }
    //将head,tail下标初始化为0
    tem->head = 0; 
    tem->tail = 0;
    return tem;
}

3.数据出队和入队的接口实现

数据出队和入队的图解:

根据图解我们可以设计出数据入队和出队的接口:

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) //数据入队接口
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }
    //确保队列没满
    obj->arry[obj->tail]=value;
    obj->tail = (obj->tail + 1)%(obj->capacity +1);
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj)    //数据出队接口
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }
    //确保队列不为空
    obj->head = (obj->head +1)%(obj->capacity +1);
    return true;
}

4.其他操作接口

返回队头数据的接口:

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)   //返回队头数据的接口
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->arry[obj->head];
}

返回队尾数据的接口:

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)   //返回队尾数据的接口     
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    int labelret = ((obj->tail-1)>=0)? obj->tail-1 : obj->capacity;
    //注意tail如果指向数组首地址,则尾数据位于数组最后一个位置
    return obj->arry[labelret];
}

队列的销毁接口:

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj)     //销毁队列的接口
{
    assert(obj);
    free(obj->arry);
    obj->arry = NULL;
    free(obj);
    obj = NULL;
}

5.数组循环队列的实现代码总览

数组循环队列总体代码:

typedef struct 
{
    int * arry;  //指向堆区数组的指针
    int head;    //队头指针
    int tail;    //队尾指针(指向队尾数据的下一个位置)(不指向有效数据)
    int capacity;//静态队列容量
} MyCircularQueue;


bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj);
//顺序编译注意:先被使用而后被定义的函数要记得进行声明

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k)          //循环队列初始化接口
{
    MyCircularQueue * tem = (MyCircularQueue *)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    //开辟维护循环队列的结构体
    if(NULL == tem)
    {
        perror("malloc failed");
        exit(-1);
    }
    tem->arry = NULL;
    tem->capacity = k;   
    //队列的数据容量为k
    tem->arry = (int*)malloc((k+1)*sizeof(int));
    //开辟堆区数组
    if(NULL == tem->arry)
    {
        perror("malloc failed");
        exit(-1);
    }
    
    tem->head = 0;
    tem->tail = 0;
    return tem;
}



bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value)   //数据入队接口
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }
    //确保队列没满
    obj->arry[obj->tail]=value;
    obj->tail = (obj->tail + 1)%(obj->capacity +1);
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj)           //数据出队接口
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }
    //确保队列不为空
    obj->head = (obj->head +1)%(obj->capacity +1);
    return true;
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)               //返回队头数据的接口
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->arry[obj->head];
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)                 //返回队尾数据的接口     
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    int labelret = ((obj->tail-1)>=0)? obj->tail-1 : obj->capacity;
    //注意tail如果指向数组首地址,则尾数据位于数组最后一个位置
    return obj->arry[labelret];
}

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj)              //判断队列是否为空
{
    assert(obj);
    return (obj->tail == obj->head);
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)               //判断队列是否为满
{
    assert(obj);
    return ((obj->tail+1)%(obj->capacity +1) == obj->head);
}

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj)                 //销毁队列的接口
{
    assert(obj);
    free(obj->arry);
    obj->arry = NULL;
    free(obj);
    obj = NULL;
}

力扣题解测试:

三.静态单向循环链表实现循环队列

链表节点结构体定义:

typedef struct listnode
{
    int data;
    struct listnode * next;
}ListNode;

维护链表循环队列的结构体:

typedef struct 
{
    int capacity;     //记录队列容量大小
    ListNode * head;  //指向队头节点
    ListNode * tail;  //指向队尾节点
} MyCircularQueue;

1.链表循环队列的结构设计

静态单向循环链表的容量大小为k:

与数组循环队列类似,我们同样需要开辟一个节点个数为k+1的静态循环链表
链表循环队列的总体结构图示:另外一种队列判满的情形:

链表循环队列的判满条件(判断队列空间是否被占满的关系式):tail->next == head;
链表循环队列的判空条件(判断队列是否为空队列的关系式): tail == head;

链表循环队列的判满和判空的接口:
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj)    //判断队列是否为空
{
    assert(obj);
    return(obj->head == obj->tail);
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)     //判断队列是否为满
{
    assert(obj);
    return (obj->tail->next == obj->head);
}

2.创建静态单向循环链表的接口

实现一个接口,创建一个维护链表循环队列的结构体同时创建容量大小为k+1的静态单向循环链表:

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k)  //循环队列初始化接口
{
    int NodeNum =k+1;                          //创建k+1个链表节点
    MyCircularQueue* object = (MyCircularQueue *)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    assert(object);                            //申请维护循环队列的结构体
    object->capacity = k;

    ListNode * preNode = NULL;                 //用于记录前一个链接节点的地址
    while(NodeNum)
    {
        if(NodeNum == k+1)
        {   ListNode * tem = (ListNode *)malloc(sizeof(ListNode));
            assert(tem);
            preNode = tem;
            object->tail = object->head=tem;    //让tail和head指向同一个初始节点
        }
        else
        {
            ListNode * tem = (ListNode *)malloc(sizeof(ListNode));
            assert(tem);
            preNode->next = tem;                //链接链表节点
            preNode = tem;
        }
        NodeNum--;
    }
    preNode->next = object->head;               //将表尾与表头相接
    return object;
}

3.数据的出队和入队接口

数据出入队图解:

根据图解实现数据出入队接口:

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value)//数据入队接口(从队尾入队)
{
    assert(obj);
    if(!obj || myCircularQueueIsFull(obj))  //确定队列没满
    {
        return false;
    }           
    obj->tail->data = value;                //数据入队
    obj->tail = obj->tail->next;
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj)  //数据出队接口
{
    assert(obj);
    if(!obj || myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }
    //数据出队
    obj->head = obj->head->next;
    return true;
}

4.其他队列操作接口

返回队头数据的接口:

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)  //返回队头数据的接口
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->head->data; //返回队头元素
}

返回队尾数据的接口:

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)   //返回队尾数据的接口     
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    ListNode * tem = obj->head;
    while(tem->next != obj->tail)               //寻找队尾元素
    {
        tem=tem->next;
    }
    return tem->data;  //返回队尾元素
}

队列销毁接口:

队列销毁过程图解:

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) //销毁队列的接口
{
    assert(obj);
    //利用头指针来完成链表节点的释放
    ListNode * endpoint = obj->head;           //记录一个节点释放的终点
    obj->head = obj->head->next;
    while(obj->head!=endpoint)
    {
        ListNode * tem = obj->head->next;
        free(obj->head);
        obj->head = tem;
    }
    free(endpoint);                            //释放掉终点节点
    free(obj);                                 //释放掉维护环形队列的结构体
}

5.静态链表循环队列总体代码

总体代码:

typedef struct listnode
{
    int data;
    struct listnode * next;
}ListNode;

typedef struct 
{
    int capacity;
    ListNode * head;
    ListNode * tail;
    int taildata;   //单向链表找尾复杂度为O(N),因此我们用一个变量来记录队尾数据
} MyCircularQueue;


bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj);
//顺序编译注意:先被使用而后被定义的函数要记得进行声明



MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k)  //循环队列初始化接口
{
    int NodeNum =k+1;                          //创建k+1个链表节点
    MyCircularQueue* object = (MyCircularQueue *)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    assert(object);                            //申请维护循环队列的结构体
    object->capacity = k;

    ListNode * preNode = NULL;                 //用于记录前一个链接节点的地址
    while(NodeNum)
    {
        if(NodeNum == k+1)
        {   ListNode * tem = (ListNode *)malloc(sizeof(ListNode));
            assert(tem);
            preNode = tem;
            object->tail = object->head=tem;    //让tail和head指向同一个初始节点
        }
        else
        {
            ListNode * tem = (ListNode *)malloc(sizeof(ListNode));
            assert(tem);
            preNode->next = tem;                //链接链表节点
            preNode = tem;
        }
        NodeNum--;
    }
    preNode->next = object->head;               //将表尾与表头相接
    return object;
}

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value)   //数据入队接口(从队尾入队)
{
    assert(obj);
    if(!obj || myCircularQueueIsFull(obj))  //确定队列没满
    {
        return false;
    }           
    obj->tail->data = value;                //数据入队
    obj->tail = obj->tail->next;
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj)               //数据出队接口
{
    assert(obj);
    if(!obj || myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->head = obj->head->next;
    return true;
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)  //返回队头数据的接口
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    return obj->head->data;
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)   //返回队尾数据的接口     
{
    assert(obj);
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    ListNode * tem = obj->head;
    while(tem->next != obj->tail)               //寻找队尾元素
    {
        tem=tem->next;
    }
    return tem->data;
}

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj)                  //判断队列是否为空
{
    assert(obj);
    return(obj->head == obj->tail);
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)                    //判断队列是否为满
{
    assert(obj);
    return (obj->tail->next == obj->head);
}



void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) //销毁队列的接口
{
    assert(obj);
    //利用头指针来完成链表节点的释放
    ListNode * endpoint = obj->head;           //记录一个节点释放的终点
    obj->head = obj->head->next;
    while(obj->head!=endpoint)
    {
        ListNode * tem = obj->head->next;
        free(obj->head);
        obj->head = tem;
    }
    free(endpoint);                            //释放掉终点节点
    free(obj);                                 //释放掉维护环形队列的结构体
}

leetcode题解测试:

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