循环队列概念和结构

1. 循环队列的概念

在实际中，有时还会使用一种队列叫循环队列。

循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（ 先进先出 ）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。

2. 循环队列的分类

要想实现一个循环队列，除了要满足先进先出的特性，还要能判断循环队列是否满或者空，同时能拿到队头队尾的数据。下面主要讲解循环队列满或者空如何实现

2.1 数组实现（3种判定）

数组的插入就是在尾部 back 下标插入然后将其加一；而删除就是将数组头 front 往前走一步即可。下面将讲解如何进行循环队列满或者空的判定方法

1）增加一个 size

当 size == 0 就是空， size != 0 就是满

2）多开一个位置

空间开 k+1 个，当 front == back 就是空；当 (back+1)%(k+1) == front 就是满。这里的 % 是防止数组越界。

2.2 链表实现

单链表的其他操作都很好处理，但唯独很难处理去队尾数据。

这里可以通过 增加一个 backprev 指针 或者 改成双向链表 就可以解决

看上去链表比较容易实现，但难在初始化以及更多的判断操作以及空间上的开销。因此，下面将 用数组实现，并使用第二种判定方法 。

3. 循环队列实现

下面将以力扣题目 622. 设计循环队列 - 力扣（LeetCode） 进行讲解。

3.1 接口设计

typedef struct {
    int*a;		// 数组
    int front;	// 队列头
    int back;	// 队列尾
    int k;		// 数组大小
} MyCircularQueue;

// 创建循环队列，给出
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k);
// 判断是否空
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj);
// 判断是否满
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj);
// 入队，成功则返回true
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value);
// 出队，成功则返回true
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj);
// 获取队首数据，如果队列为空，返回 -1
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj);
// 获取队尾数据，如果队列为空，返回 -1
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj);
// 销毁
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj);

3.2 接口实现

1）创建队列

这里需要开辟 k+1 个空间，从而进行第二种判定方法

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    obj->a = (int*)malloc(sizeof(int) * (k + 1));
    obj->front = 0;
    obj->back = 0;
    obj->k = k;

    return obj;
}

2）实现判定空或满

首先实现这两个函数，有利于后续函数复用，简化代码

// 相等则为空
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    return obj->front == obj->back;
}

// 因为要防止数组越界，所以要进行%操作
// 要注意开辟的空间是k+1，因此要%obj->k+1
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    return (obj->back+1)%(obj->k+1)==obj->front;
}

3）入队和出队

入队和出队就相对简单了，要注意数组不要越界即可

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
        return false;
        
    obj->a[obj->back]=value;
    obj->back++;
    obj->back%=(obj->k+1);

    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return false;
    
    // 直接加1即可，不需要覆盖数据
    obj->front++;
    obj->front%=(obj->k+1);

    return true;
}

4）获取队首队尾数据

对于队首数据 ：首先判定是否为空，然后直接获取

对于队尾数据 ：首先也是判定是否为空，然后获取，这里要注意数据越界。此处可以直接用 if else 进行判定，但还有更简单的办法： (obj->back-1+obj->k+1)%(obj->k+1) ，简化过后就是 (obj->back+obj->k)%(obj->k+1)

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

5）销毁

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

3.3 从”获取队尾数据方法“引申 “计算循环队列数据个数”

正常清空就是 back-front ，但会出现越界；这时采用上述方法，就可以写成： (back + (k+1) - front) % (k+1) ，具体代码可以自己进行实现

4. 完成力扣题目

4.1 完整代码

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


MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    obj->a = (int*)malloc(sizeof(int) * (k + 1));
    obj->front = 0;
    obj->back = 0;
    obj->k = k;

    return obj;
}

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

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

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
        return false;
        
    obj->a[obj->back]=value;
    obj->back++;
    obj->back%=(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;

    return obj->a[obj->front];
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;

    return obj->a[(obj->back-1+obj->k+1)%(obj->k+1)];

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

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

4.2 提交截图

至此，队列的学习完全结束！