一、题目介绍:
先声明一下:
题目来源：力扣（LeetCode）
题目名称:设计循环队列:题目链接
难度: 中等
介绍:
设计你的循环队列实现。 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”。
循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，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。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。
需要实现的接口介绍:
- MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。
- Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
- Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
- enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
- deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
- isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
- isFull(): 检查循环队列是否已满。
测试接口示例:
MyCircularQueue circularQueue = new MyCircularQueue(3); // 设置长度为 3
circularQueue.enQueue(1); // 返回 true
circularQueue.enQueue(2); // 返回 true
circularQueue.enQueue(3); // 返回 true
circularQueue.enQueue(4); // 返回 false，队列已满
circularQueue.Rear(); // 返回 3
circularQueue.isFull(); // 返回 true
circularQueue.deQueue(); // 返回 true
circularQueue.enQueue(4); // 返回 true
circularQueue.Rear(); // 返回 4
二、接口函数的分析:
2.1 循环队列的结构
typedef int Queuedate; typedef struct { Queuedate* date; int front;//队首下标 int rear;//队尾 int k;//队列的长度(固定的) } MyCircularQueue;
刚开始设计循环队列时:
为了显示循环的模样,更加形象的图:
此时遇到了一个难题:
为了解决队列判满与判空冲突问题,这里选择设计2:以多开一个空间为代价.
那有没有办法不开空间也能解决这个问题呢?
另外方案:
增加一个size指针,用于记录循环队列元素的实际元素个数.
满队列: size=k
空队列: size为0的时候是空队列
2.2 初始化"循环队列"(myCircularQueueCreate)
步骤:
- 为使得myCircularQueueCreate函数生命周期结束后,obj(循环队列)不被销毁,所以需要动态申请(malloc)空间.
- 为obj(循环队列)的date 指针申请k(容量)个单位的空间.
- 将front (队首下标)和rear(待插入位置下标)设置初始状态为0.
- 将参数k的值,存入obj(循环队列)保存,作为循环队列的最大容量.
- 返回obj(循环队列).
代码:
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) { MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));; obj->date = (Queuedate*)malloc(sizeof(Queuedate) * (k + 1)); if (obj->date == NULL)//如果开辟空间失败 { perror("obj malloc error"); } //初始化时,队首和队尾都暂时赋值为0下标 obj->front = obj->rear = 0; //记录k的值,k表示循环队列的容量. obj->k = k; return obj; }
2.3 入队(myCircularQueueEnQueue)
返回值说明:
true表示入队成功.
false表示入队失败.
步骤:
1.进行入队操作前,需要考虑队满情况(队满直接返回false即入队失败).
2.在rear下标位置插入新元素value.
3. 由于这里是循环队列,所以相比于普通的队列,这里需要一个rear自增时需要使其能够循环回0下标处.(重点)
此时rear=4,如果我们进行 %周期 操作
(rear++) % (k + 1)
= 5 % 5
=0
这样,rear就可以重新从0开始循环了.
代码实现:
bool bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) { if (myCircularQueueIsFull(obj)) { return false; } obj->date[obj->rear] = value; //队尾++,注意考虑回0情况. obj->rear = (obj->rear + 1) % (obj->k + 1); return true; }
2.4 出队(myCircularQueueDeQueue)
步骤解析:
- 出队列之前要考虑队列是否为空,队列为空返回false.
- front(队首下标)向后移动一位.
由于是循环队列,front也要考虑特殊情况,也需要能够回0(%周期)操作.
2.5 取队首、队尾元素
队首元素很简单获取,返回obj->date[obj->front]即可.
需要注意的是:如果循环队列为空,这里规定队首返回值-1;(题干有要求).
队尾元素获取稍微复杂一些,因为存在特殊情况,如下图:
此时可以直接返回obj->date[rear-1] 吗?
那岂不是date[-1]了,所以我们需要对rear进行处理.
rear - 1 + k + 1加上一套周期,那么:
0 - 1 + 5 % 5 = 4
似乎是满足要求的.
可是,不要高兴的太早了,我们为了解决这一特殊情况进行了==+周期==,那普通情况呢?
rear - 1 + k + 1加上一套周期还对吗?
2 - 1 + 5 = 6.
所以我们还需要进行==%周期==操作.
即完整的:obj->date[(obj->rear - 1 + obj->k + 1) % (obj->k + 1)];
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) { if (myCircularQueueIsEmpty(obj))//规定,如果队列为空,则队首是-1; { return -1; } return obj->date[obj->front]; } int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) { if (myCircularQueueIsEmpty(obj))//规定,如果队列为空,则队首是-1; { return -1; } return obj->date[(obj->rear - 1 + obj->k + 1) % (obj->k + 1)]; }
代码实现:
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) { if (myCircularQueueIsEmpty(obj)) { return false; } obj->front = (obj->front + 1) % (obj->k + 1); return true; }
2.6 循环队列的判空、判满:
在设计循环队列的时候就考虑过这个问题,所以相信大家解决这两个接口还是很简单的吧!
判空:
front(队首)和rear (待插入)指向相等时,为空.
判满:
front(队首)和rear (待插入)的下一个相等时为满.(注意%周期哦).
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) { if (obj->rear == obj->front) { return true; } else { return false; } } bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) { if ((obj->rear + 1) % (obj->k + 1) == obj->front) { return true; } else { return false; } }
循环队列的销毁:
只需要将之前在堆区申请的两次空间释放即可.
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) { free(obj->date); free(obj); }
三、总代码:
#include <stdbool.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> typedef int Queuedate; typedef struct { Queuedate* date; int front;//队首下标 int rear;//待插入位置的下标 int k;//队列的长度(固定的) } MyCircularQueue; bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj); bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj); MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) { MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));; obj->date = (Queuedate*)malloc(sizeof(Queuedate) * (k + 1)); if (obj->date == NULL) { perror("obj malloc error"); } obj->front = obj->rear = 0; obj->k = k; return obj; } bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) { if (myCircularQueueIsFull(obj)) { return false; } obj->date[obj->rear] = value; //队尾++ obj->rear = (obj->rear + 1) % (obj->k + 1); return true; } bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) { if (myCircularQueueIsEmpty(obj)) { return false; } obj->front = (obj->front + 1) % (obj->k + 1); return true; } int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) { if (myCircularQueueIsEmpty(obj))//如果队列为空,则队首是-1; { return -1; } return obj->date[obj->front]; } int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) { if (myCircularQueueIsEmpty(obj))//如果队列为空,则队首是-1; { return -1; } return obj->date[(obj->rear - 1 + obj->k + 1) % (obj->k + 1)]; } bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) { if (obj->rear == obj->front) { return true; } else { return false; } } bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) { if ((obj->rear + 1) % (obj->k + 1) == obj->front) { return true; } else { return false; } } void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) { free(obj->date); free(obj); }
