数据结构 - 顺序队列的实行（C语言）

一、什么是顺序队列？

队列的顺序储存结构：用数组存储队列，为了避免当只有一个元素时，队头和队尾重合使得处理变得麻烦，所以引入两个指针：front 指针指向队头元素，rear 指针指向队尾元素的下一个位置，当 front=rear 时，为空队列，结构如下图所示：

顺序队列的结构代码如下：

typedef int ElemType; /* ElemType类型根据实际情况而定，这里假设为int */

/* 循环队列的顺序存储结构 */
typedef struct
{
    ElemType data[MAXSIZE];
    int front;      /* 头指针 */
    int rear;       /* 尾指针，若队列不空，指向队列尾元素的下一个位置 */
}SeqQueue;

假设是长度为 5 的数组，初始状态，空队列如下图左所示，front 与 rear 指针均指向下标为 0 的位置。然后入队 a₁、a₂、a₃、a₄，front 指针依然指向下标为 0 位置，而 rear 指针指向下标为 4 的位置，如下图右所示：

出队 a₁、a₂，则 front 指针指向下标为 2 的位置，rear 不变，如下图左所示，再入队 a₅，此时 front 指针不变，rear 指针移动到数组之外。数组之外， 那将是哪里？如下图右所示：

问题还不止于此。假设这个队列的总个数不超过5个，但目前如果接着入队的话，因数组末尾元素已经占用，再向后加，就会产生数组越界的错误，可实际上，我们的队列在下标为0和1的地方还是空闲的。我们把这种现象叫做 “假溢出"。

二、什么是顺序循环队列？

所以解决 "假溢出" 的办法就是后面满了，就再从头开始，也就是头尾相接的循环。我们把队列的这种头尾相接的顺序存储结构称为顺序循环队列。

刚才的例子继续，上图的 rear 可以改为指向下标为 0 的位置，这样就不会造成指针指向不明的问题了，如下图所示：

接着入队 a₆，将它放置于下标为 0 处，rear 指针指向下标为 1 处，如下图左所示。若再入队 a₇，则 rear 指针就与 front 指针重合，同时指向下标为 2 的位置，如下图右所示：

此时问题又出来了，我们刚才说，空队列时，front 等于 rear，现在当队列满时，也是 front 等于 rear，那么如何判断此时的队列究竟是空还是满呢?

• 办法一是设置一个标志变量 flag， 当 front == rear，且 flag = 0 时为队列空，当 front== rear，且 flag= 1 时为队列满。
• 办法二是当队列空时，条件就是 front = rear，当队列满时，我们修改其条件，保留一个元素空间。也就是说，队列满时，数组中还有一个空闲单，例如下图所示，我们就认为此队列已经满了，也就是说，我们不允许上图右的情况出现：

我们重点来讨论第二种方法，由于 rear 可能比 front 大，也可能比 front 小，所以尽管它们只相差一个位置时就是满的情况，但也可能是相差整整一圈。 所以若队列的最大尺寸为 QueueSize，那么队列满的条件是(rear+1) % QueueSize == front ，因此通用的计算队列长度公式为：(rear - front + QueueSize) % QueueSize 。

注意：front 指针和 rear 指针后移不能直接使用 ++，而要使用Q->front = (Q->front + 1) % MAXSIZE，因为到达数组尾后需要移动到数组开头。

三、基本操作

3.1 初始化队列操作

实现代码如下：

// 初始化队列操作
Status initQueue(SeqQueue *Q)
{
	Q->front = 0;
	Q->rear = 0;

	return  TRUE;
}

3.2 入队操作

实现代码如下：

// 入队操作
Status enQueue(SeqQueue *Q, const ElemType e)
{
	// 判断队列是否已满
	if ((Q->rear + 1) % MAXSIZE == Q->front)
		return FALSE;

	Q->data[Q->rear] = e; // 将元素e赋值给队尾
	Q->rear = (Q->rear + 1) % MAXSIZE; // rear指针向后移一位置，若到最后则转到数组头部

	return  TRUE;
}

3.3 出队操作

实现代码如下：

// 出队操作
Status deQueue(SeqQueue *Q, ElemType *e)
{
	// 判断是否为空队
	if (Q->front == Q->rear)
		return FALSE;

	*e = Q->data[Q->front]; // 将队头元素赋值给e
	Q->front = (Q->front + 1) % MAXSIZE; // front指针向后移一位置,若到最后则转到数组头部

	return  TRUE;
}

3.3 遍历队列操作

实现代码如下：

// 遍历队列操作
Status tarverseQueue(const SeqQueue Q)
{
	int cur = Q.front; // 当前指针
	while (cur != Q.rear) // 直到cur指向了队尾元素的下一个位置，即Q.rear，结束循环
	{
		printf("%d ", Q.data[cur]);
		cur = (cur + 1) % MAXSIZE; // 当前指针向后推移
	}
	printf("\n");

	return TRUE;
}

四、完整程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>  

#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define MAXSIZE 5 /* 存储空间初始分配量 */

typedef int Status;
typedef int ElemType; /* ElemType类型根据实际情况而定，这里假设为int */

/* 顺序循环队列的顺序存储结构 */
typedef struct
{
	ElemType data[MAXSIZE];
	int front; // 头指针
	int rear; // 尾指针，若队列不空，指向队列尾元素的下一个位置
}SeqQueue;

Status initQueue(SeqQueue *Q); // 初始化队列操作
Status enQueue(SeqQueue *Q, const ElemType e); // 入队操作
Status deQueue(SeqQueue *Q, ElemType *e); // 出队操作
Status tarverseQueue(const SeqQueue Q); // 遍历队列操作
Status clearQueue(SeqQueue *Q); // 清空队列操作
Status isEmpty(const SeqQueue Q); // 判断是否为空队列
Status getHead(const SeqQueue Q, ElemType *e); // 获得队头元素
int getLength(const SeqQueue Q); // 获得队列的长度

// 初始化队列操作
Status initQueue(SeqQueue *Q)
{
	Q->front = 0;
	Q->rear = 0;

	return  TRUE;
}

// 入队操作
Status enQueue(SeqQueue *Q, const ElemType e)
{
	// 判断队列是否已满
	if ((Q->rear + 1) % MAXSIZE == Q->front)
		return FALSE;

	Q->data[Q->rear] = e; // 将元素e赋值给队尾
	Q->rear = (Q->rear + 1) % MAXSIZE; // rear指针向后移一位置，若到最后则转到数组头部

	return  TRUE;
}

// 出队操作
Status deQueue(SeqQueue *Q, ElemType *e)
{
	// 判断是否为空队
	if (Q->front == Q->rear)
		return FALSE;

	*e = Q->data[Q->front]; // 将队头元素赋值给e
	Q->front = (Q->front + 1) % MAXSIZE; // front指针向后移一位置,若到最后则转到数组头部

	return  TRUE;
}

// 遍历队列操作
Status tarverseQueue(const SeqQueue Q)
{
	int cur = Q.front; // 当前指针
	while (cur != Q.rear) // 直到cur指向了队尾元素的下一个位置，即Q.rear，结束循环
	{
		printf("%d ", Q.data[cur]);
		cur = (cur + 1) % MAXSIZE; // 当前指针向后推移
	}
	printf("\n");

	return TRUE;
}

// 清空队列操作
Status clearQueue(SeqQueue *Q)
{
	Q->front = Q->rear = 0;

	return TRUE;
}

// 判断是否为空队列
Status isEmpty(const SeqQueue Q)
{
	return Q.front == Q.rear ? TRUE : FALSE;
}

// 获得队头元素
Status getHead(const SeqQueue Q, ElemType *e)
{
	if (Q.front == Q.rear) // 判断是否为空队列
		return FALSE;
	*e = Q.data[Q.front];

	return TRUE;
}

// 获得队列的长度
int getLength(const SeqQueue Q)
{
	return  (Q.rear - Q.front + MAXSIZE) % MAXSIZE;
}

int main()
{
	SeqQueue Q;

	// 初始化队列
	initQueue(&Q);

	// 入队操作
	for (int i = 0; i < MAXSIZE - 1; i++)
		enQueue(&Q, i);
	printf("入队操作（0、1、2、3）! \n\n");

	// 出队操作
	ElemType d;
	deQueue(&Q, &d);
	printf("删除的元素是%d \n\n", d);

	// 遍历队列
	printf("遍历队列: ");
	tarverseQueue(Q);
	printf("\n");

	// 判断是否为空队列
	printf("现在队列空否？ %u (1:空 0:否)\n\n", isEmpty(Q));

	// 获得队列的长度
	printf("队列长度为: %d \n\n", getLength(Q));

	// 获得队头元素
	getHead(Q, &d);
	printf("队头元素是%d \n\n", d);

	return 0;
}

输出结果如下图所示：

参考：

《大话数据结构 - 第4章》 栈与队列