Leetcode循环队列

这道题十分考验我们对队列的理解。

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队列的介绍

队列是一种只允许在一段进行插入，在另一端进行删除的数据操作的特殊线性结构，，因此决定了他具有先入先出的特点，其中进行插入操作的一段叫做队尾，出队列的一端叫做队头。

队列的实现

队列可以使用链表或者数组进行实现，对于这两种实现方法，使用链表实现效果更好一点，两个指针中front为链表的头，即队列的队头，出数据的话只需要找到front的下一个假设为pre，将front销毁，front置为pre即可，如果是用数组的结构的话，出队列在数组头上出数据，效率会很低。

链表实现队列代码如下

Queue.h

c 复制代码

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>


typedef int QDataType;

typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType data;
}QNode;


typedef struct Queue
{
	QNode* head;//头
	QNode* tail;//尾
	int size;//大小
}Que;
void QueueInit(Que* pq);//初始化
void QueuePush(Que* pq,QDataType);//入队列
void QueueDestroy(Que* pq);//销毁
void QueuePop(Que* pq);//出队列
QDataType QueueFront(Que* pq);//队头的数据
QDataType QueueBack(Que* pq);//队尾的数据

bool QueueEmpty(Que* pq);//检查是否为空
int QueueSize(Que* pq);//队列元素

Queue.c

c 复制代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include "Queueh.h"

void QueueInit(Que* pq)
{
	assert(pq);

	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueueDestroy(Que* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->head;
	while (cur != NULL)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}
	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;

}

void QueuePush(Que* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);

	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	newnode->next = NULL;
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;

	if (pq->tail == NULL)//这里要先进行判断
	{
		pq->head = pq->tail = newnode;//如果队列里没有一个元素
		//那么head和tail都为空，将newnode设置为队头，当然也是队尾，毕竟只有一个元素。
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

void QueuePop(Que* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));//判空，避免引起不必要的错误。
	if (pq->head->next != NULL)
	{
		QNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
	else
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Que* pq)
{
	assert(pq);
	//判断是否为空
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->head->data;//队头位置
}

QDataType QueueBack(Que* pq)
{
	assert(pq);
	//判断是否为空
	assert(!QueueEmpty(pq));
	return pq->tail->data;//队尾位置
}

bool QueueEmpty(Que* pq)//判断是否为空，为空则返回true
{
	if (pq->head == NULL)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

int QueueSize(Que* pq)
{
	assert(pq);
	return pq->size;
}

进入正题

链接：设计循环队列

前边的队列如果空间不够就会扩容，但是这里的循环队列大小是固定 的，只可以保存k个元素，当然还是遵循先入先出的规则。

例如下边的环形队列，在pop掉队头数据后，这块空间不会被销毁的，可以继续存储值覆盖原来的值，假设k等于5，当入6个元素后，这个循环队列就满了，当出队列时，此时这个队列的首位置就可以继续存储数据。

循环队列的思路和环形队列一样

那么这道题用数组实现比较好还是链表实现比较好呢？

我想你一定第一反应是用链表实现比较好，然而这道题相对于数组，链表实现就显得更加复杂一点

因为这也是一个环状结构，刚好可以实现一个环形链表来实现，但是我们要注意的是，链表的两个指针的状态通常是左闭右开。

即 [front,tail)

再插入一个数据后，tail=tail->next。

可以发现，tail总是在有效数字的下一位置。

和实现链表不同的地方是，链表的尾只有在开好后才会让tail指向尾节点，这里的链表长度是固定的，当一个元素入队列后，tail会指向下一个位置，如果是这样的话如何表示空和满 呢？

当最后插入一个数据后,tail指向下一个位置刚好是front，判断为满？但是当队列里没有元素的话，tail和front的位置也是相同的，当然，如果你定义一个size来判断当然可以。

然而还有一个更大的缺陷就是题目要求获取队尾元素，如果是单向链表的话，想要找放到tail的前一个结点还需要遍历一边才行，如果用双向链表的话也可以，但是就有点太大费周章了。

如果用数组来实现会简单许多滴！

结构体声明如下

c 复制代码

typedef struct {
    int* a;
    int front;
    int rear;//尾
    int k;
} MyCircularQueue;

初始化函数如下

c 复制代码

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue*obj=(MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    //多开一个方便区分空和满
    obj->a=(int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
    obj->k=k;
    obj->front=obj->rear=0;
    return obj;
}

数组也面临一个同样的问题，如何判断是满还是空？

可以多开一块空间。k==5，开6块空间，最后一块空间浪费不用。

如果front等于tail就为空，在这里设置tail的值为0~5（要注意下标和位置有减一的关系），如果tail的下一个位置为front时，表示队列已满。

obj->tail%=(obj->k+1);//obj为循环队列变量

控制tail的值的变化范围，当tail等于6时置tail为0。

当然，在出队列过程中，front是会不断变化的。

我们看front变化的情况

pop一个数据后，向后移一位

判断是否队列已满的条件判断句如下

(obj->tail+1)%(obj->k+1 )==obj->front

前边已经说过了，tail的变化范围为0~5，此时tail被置为0，但front为1，不相等，就表示还有空余的位置，队列没有满，所以上边的判断语句在任何场景都是正常使用的。

判断是否已满函数如下（题目中tail被rear替换）

c 复制代码

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    return (obj->rear+1)%(obj->k+1  )==obj->front;
}

返回类型为布尔值，如果相等就返回true，不相等就返回false。

判断是否为空很简单，直接比较rear和front的值是否相等即可。

c 复制代码

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

置空函数

c 复制代码

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    free(obj->a);
    free(obj);
}

获取队头元素

很简单，返回front位置的元素即可

c 复制代码

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

获取队尾元素

这里就要思考一下了

如果rear不在数组第一个空间上，直接返回数组rear-1处的值即可，当rear位于数组首元素，就要返回数组第k个元素。

代码如下

c 复制代码

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    else
    {
        if(obj->rear==0)
        {
            return obj->a[obj->k];
        }
        else{
            return obj->a[obj->rear-1];
        }
		//下边是综合写法
        //return obj->a[(obj->rear+obj->k)%(obj->k+1)];
    }
}

出队列deQueue()

出队列只需要将front++即可，就算之前的数据不销毁，下次入队列操作也会覆盖他的数据。

代码如下

c 复制代码

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

注意是要有返回值的，如果队列为空，就没有出数据，返回false，出数据成功就返回true。
入队列

代码如下：

c 复制代码

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }

    obj->a[obj->rear]=value;
    obj->rear++;

    obj->rear%=(obj->k+1);

    return true;
}

首先判断循环队列是否已满，如果已满就返回false，如果没有满就将rear位置的值改为value，然后rear++，判断是否超出范围，如果超出就置为0。最后入队列成功返回true。

到了这里这道题目就顺利解决了，如果使用双向链表来做这道题的话当然也可以，但是会稍微麻烦一点，有兴趣可以尝试尝试。

今天的内容就到这里啦，如果有错误欢迎各位指正哦！

综合上述代码后即可通过本题。

全部代码如下

c 复制代码

typedef struct {
    int* a;
    int front;
    int rear;
    int k;
} MyCircularQueue;


MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue*obj=(MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    //多开一个方便区分空和满
    obj->a=(int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
    obj->k=k;
    obj->front=obj->rear=0;
    return obj;
}
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front==obj->rear;
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    return (obj->rear+1)%(obj->k+1  )==obj->front;
}
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }

    obj->a[obj->rear]=value;
    obj->rear++;

    obj->rear%=(obj->k+1);

    return true;
}

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

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

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    else
    {
        if(obj->rear==0)
        {
            return obj->a[obj->k];
        }
        else{
            return obj->a[obj->rear-1];
        }

        //return obj->a[(obj->rear+obj->k)%(obj->k+1)];
    }
}



void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    free(obj->a);
    free(obj);
}

/**
 * Your MyCircularQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyCircularQueue* obj = myCircularQueueCreate(k);
 * bool param_1 = myCircularQueueEnQueue(obj, value);
 
 * bool param_2 = myCircularQueueDeQueue(obj);
 
 * int param_3 = myCircularQueueFront(obj);
 
 * int param_4 = myCircularQueueRear(obj);
 
 * bool param_5 = myCircularQueueIsEmpty(obj);
 
 * bool param_6 = myCircularQueueIsFull(obj);
 
 * myCircularQueueFree(obj);
*/