栈和队列（C语言底层实现环形队列）

链表队列 就像是"排队买奶茶"：队伍长度不固定，人多我就排长一点，人少我就排短一点，灵活多变，适合高级业务逻辑。
环形队列 就像是"机场的行李转盘"（或者旋转门）：转盘大小是固定的，不需要临时扩建。放行李的工人在后面放（入队），旅客在前面拿（出队）。只要拿的速度跟得上放的速度，这个固定大小的转盘就能无限地处理几万件行李！

1.定义环形队列的结构体

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typedef struct CircularQueue
{
	int* data;//待会用malloc获取一块连续的数字空间
	int capacity;//记录这个队列的总容量
	int front;//队头游标，排在最前面的数据
	int rear;//队尾游标，永远指向下一个空位
}CircularQueue;

2.初始化环形队列

我们要体现环形队列最核心的"心法"：为了区分"空"和"满"，必须故意浪费一个座位！

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void queueInit(CircularQueue* q, int maxSize)
{
	//【核心心法】：你想装 maxSize 个人，我底层必须开辟 maxSize + 1 个位置！
	//那个多出来的位置，就是为了防止 front 追上 rear 时分不清是空还是满。
	q->capacity = maxSize + 1;

	//此时malloc一块空间之后不会再用malloc
	q->data = (int*)malloc(sizeof(int) * q->capacity);
	if (q->data == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
		return;
	}

	q->front = 0;
	q->rear = 0;

	printf("环形队列初始化成功，真实容量为%d，可装载人数为%d\n", q->capacity, maxSize);
}

为什么 capacity = maxSize + 1？

假设顾客说："我要一个能装 4 个人的队列。"

如果我们底层只申请 4 个位置的数组。当 4 个人全站满时，rear 绕了一圈回到了起点，刚好和 front 重叠（rear == front）。
但是，当队列空无一人时，rear 和 front 也是重叠的（rear == front）。
这样一来，程序就彻底抓瞎了！

所以，我们极其狡猾地向系统申请 5 个位置（capacity = 5）：

我们依然只允许最多站 4 个人。
这样，当站满 4 个人时，rear 和 front 之间永远会隔着一个空位！它们永远不会重叠！
只有当真正的空无一人时，它们才会重叠。

这就是计算机科学里极其经典的"牺牲空间换取逻辑清晰"的做法。

3.判空函数

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bool queueIsEmpty(CircularQueue* q)
{
	//当front和rear重合即一个人也没有为空
	if (q->front == q->rear)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

4.判满函数

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bool queueIsFull(CircularQueue* q)
{
	//【核心心法】：让rear在脑海里往前"试探性"地走一步。
	//如果往前走一步刚好撞上了front，说明转盘只剩最后那个"必须浪费的空位"了，队列已满！
	int nextRear = (q->rear + 1) % q->capacity;

	if (nextRear == q->front)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

为什么要进行取模运算？

假设我们申请了一个 capacity = 5 的数组（下标是 0, 1, 2, 3, 4）。我们的目标是：让游标从 0 走到 4 之后，下一步瞬间穿越回 0！

正常情况（没走到头）： 假设现在 rear = 2。往前走一步：(2 + 1) % 5 ，3 除以 5，商是 0，余数是 3。所以下一步去了下标 3。非常正常。
走到尽头的情况（见证奇迹的时刻）： 假设现在 rear = 4（已经站在物理数组的最后一个位置了）。往下走一步：(4 + 1) % 5 ，5 除以 5，商是 1，余数是 0 ！ 看！它完美地绕回了起点 0！ 物理上是一条直线的数组，在逻辑上被这个 % 号硬生生"掰弯"成了一个圆环！

所以，在 rear 距离 front 还有一格距离的时候，我们就必须强行拉响警报："满了满了！不能再放了！

rear指向那个是即将放入人的那个位置，而非最后一个人

5.入列函数

把人放进空位，然后让游标往前挪一步。

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void queuePush(CircularQueue* q, int value)
{
	if (queueIsFull(q))
	{
		printf("队列已满，入列失败\n");
		return;
	}

	//把value装进下标为q->value的位置
	q->data[q->rear] = value;
    //【核心】：工人 (rear) 往前走一步，寻找下一个空位
	//如果走到了数组的尽头，% 取模运算会把他瞬间传送回下标 0
	q->rear = (q->rear + 1) % q->capacity;

	printf("%d入队成功\n", value);
}

6.出列函数

出队的逻辑几乎和入队是对称的，只是操作的游标换成了 front

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int queuePop(CircularQueue* q)
{
	if (queueIsEmpty(q))
	{
		printf("出列失败，队列为空\n");
		return -1;
	}

	//拿到即将删除的那个值
	int popValue = q->data[q->front];

	//核心：旅客(front) 拿完行李，往前走一步，准备接下一个。
	//同样，走到要 % 传送回起点。
	q->front = (q->front + 1) % q->capacity;

	printf("%d出列成功\n", popValue);
	return popValue;
}

7.销毁队列

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void queueDestroy(CircularQueue* q)
{
	if (q->data != NULL)
	{
		free(q->data);
		q->data = NULL;
	}

	q->front = 0;
	q->rear = 0;
	q->capacity = 0;
	printf("队列成功被销毁\n");
}

我们一开始用 malloc 申请了那个巨大的底层数组，关机的时候当然要还给操作系统。

8.不同文件代码的整合

CircularQueue.h

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#pragma once

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

typedef struct CircularQueue
{
	int* data;//待会用malloc获取一块连续的数字空间
	int capacity;//记录这个队列的总容量
	int front;//队头游标，排在最前面的数据
	int rear;//队尾游标，永远指向下一个空位
}CircularQueue;

//初始化环形队列
void queueInit(CircularQueue* q, int maxSize);
//判空函数
bool queueIsEmpty(CircularQueue* q);
//判满函数
bool queueIsFull(CircularQueue* q);
//入列函数
void queuePush(CircularQueue* q, int value);
//出列函数
int queuePop(CircularQueue* q);
//销毁队列
void queueDestroy(CircularQueue* q);

CircularQueue.c

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#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include "CircularQueue.h"

void queueInit(CircularQueue* q, int maxSize)
{
	//【核心心法】：你想装 maxSize 个人，我底层必须开辟 maxSize + 1 个位置！
	//那个多出来的位置，就是为了防止 front 追上 rear 时分不清是空还是满。
	q->capacity = maxSize + 1;

	//此时malloc一块空间之后不会再用malloc
	q->data = (int*)malloc(sizeof(int) * q->capacity);
	if (q->data == NULL)
	{
		perror("malloc failed");
		return;
	}

	q->front = 0;
	q->rear = 0;

	printf("环形队列初始化成功，真实容量为%d，可装载人数为%d\n", q->capacity, maxSize);
}

bool queueIsEmpty(CircularQueue* q)
{
	//当front和rear重合即一个人也没有为空
	if (q->front == q->rear)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

bool queueIsFull(CircularQueue* q)
{
	//【核心心法】：让rear在脑海里往前"试探性"地走一步。
	//如果往前走一步刚好撞上了front，说明转盘只剩最后那个"必须浪费的空位"了，队列已满！
	int nextRear = (q->rear + 1) % q->capacity;

	if (nextRear == q->front)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

void queuePush(CircularQueue* q, int value)
{
	if (queueIsFull(q))
	{
		printf("队列已满，入列失败\n");
		return;
	}

	//把value装进下标为q->value的位置
	q->data[q->rear] = value;
	//【核心】：工人 (rear) 往前走一步，寻找下一个空位
	//如果走到了数组的尽头，% 取模运算会把他瞬间传送回下标 0
	q->rear = (q->rear + 1) % q->capacity;

	printf("%d入队成功\n", value);
}

int queuePop(CircularQueue* q)
{
	if (queueIsEmpty(q))
	{
		printf("出列失败，队列为空\n");
		return -1;
	}

	//拿到即将删除的那个值
	int popValue = q->data[q->front];

	//核心：旅客(front) 拿完行李，往前走一步，准备接下一个。
	//同样，走到要 % 传送回起点。
	q->front = (q->front + 1) % q->capacity;

	printf("%d出列成功\n", popValue);
	return popValue;
}

void queueDestroy(CircularQueue* q)
{
	if (q->data != NULL)
	{
		free(q->data);
		q->data = NULL;
	}

	q->front = 0;
	q->rear = 0;
	q->capacity = 0;
	printf("队列成功被销毁\n");
}

test.c

复制代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include "CircularQueue.h"

int main()
{
	CircularQueue MyQueue;
	queueInit(&MyQueue, 5);

	queuePush(&MyQueue, 1);
	queuePush(&MyQueue, 2);
	queuePush(&MyQueue, 3);
	queuePush(&MyQueue, 4);
	queuePush(&MyQueue, 5);

	queuePush(&MyQueue, 1);

	/*queuePop(&MyQueue);
	queuePop(&MyQueue);
	queuePop(&MyQueue);
	queuePop(&MyQueue);
	queuePop(&MyQueue);

	queuePop(&MyQueue);*/

	queueDestroy(&MyQueue);
	return 0;
}