你真的了解环形队列吗？（学习数据结构必须掌握的模型）

目录

0.前言

1. 什么是环形队列

 2. 如何使用数组结构 / 链表结构 对环形队列封装

3. 代码手撕环形队列各个接口

3.1 代表封装一个环形队列

3.2 环形队列的初始化

3.3 环形队列的插入

3.4环形队列的删除

3.5环形队列的判空

3.6环形队列的判满

3.7环形队列的队头

3.8环形队列的队尾

3.9环形队列的销毁

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0.前言

4栈和队列OJ题集合/CircularQueue.h · onlookerzy123456qwq/data_structure_practice_primer - 码云 - 开源中国 (gitee.com)https://gitee.com/onlookerzy123456qwq/data_structure_practice_primer/blob/master/4%E6%A0%88%E5%92%8C%E9%98%9F%E5%88%97OJ%E9%A2%98%E9%9B%86%E5%90%88/CircularQueue.h本文所有代码资源已经上传至gitee，如上可自取。

622. 设计循环队列 - 力扣（LeetCode）https://leetcode.cn/problems/design-circular-queue/这是本题的OJ链接，是骡子是马，可以拉出去练练。

1. 什么是环形队列

环形队列，也称循环队列，它是一种特殊的队列，则其必首先符合队列的性质，即先进先出，后进后出（First In First Out）。 

环形队列特殊在哪里呢？

1.这个队列是定长的，在初始化的时候，这个队列的长度就已经定了，即再也不能改变它所能容纳元素的最大数量了。

2.这个队列从抽象图看来，形状上不是平常我们看到是直线型的，而是一个环形的。

3.这个队列的队头和队尾（首和尾），在插入删除的过程当中，是一直在不断变化的。相比普通队列，它的首尾并不是在完全固定的位置。

 环形队列的逻辑是：一个head记录当前环形队列的队头位置，一个tail记录当前环形队列的队尾位置（当然我们这里tail实际代表意义是队尾元素的下一个位置），如果删除的话就前移head代表删除，如果要插入的话，就后移tail，代表增加一个环形队列的元素。这是环形队列的插入删除逻辑。

那环形队列毕竟是定长的队列，当超过定长，即把这个环形队列插满时，那就会插入失败。所以我们需要设定一个head和tail的状态，以之作为判断环形队列是否为满的标准。同时我们也要设定一个head和tail的状态，以之作为判断环形队列是否为空的标准。

我们这样设定：初始状态的环形队列，即环形队列是空的话，此时head和tail是重合的。

然后你插入一个元素，队列是从队尾插入的，所以我们就把当前tail所指向的位置插入新元素，然后++tail，指向队尾的下一个位置（因为如果不++tail的话，head和tail还是重合的，这是时候，我们是认为此环形队列是空）。

如果再一直一直插入新元素，直到插入为满的时候，（tail能最远到达的位置决定了最多能插入的元素，而且铭记tail指向的是队尾元素的下一个位置，head和tail重合代表环形队列为空），根据上述规则的限定，我们最终可以允许tail最远到head的前一个位置。

这样虽然会浪费掉一个小元素的空间，但是这就一小点并不重要，实在不行，你想最多插入k个有效元素，你再多开一个元素的空间（k+1）不就中了嘛~

当然啦，删除元素，队列就是删除队头的元素，然后head指向的就是队头元素，我们++head即可完成删除。

 

 2. 如何使用数组结构 / 链表结构 对环形队列封装

使用链表结构进行对一个环形队列的实现，我们很简单，就是用head和tail两个指针，然后记录一个当前长度int num，然后就依次进行对于该队列的插入删除，这个和我们这篇博客所写的j基本一样：3.用C语言实现队列

然后我们再需要做的就是，当总数据num达到了定长，即达最大可容纳数目之后，那我们就禁止插入，这个很简单的。

本博客，我们使用数组结构来仿生实现该环形队列，你可能会产生疑问：链表姑且可以通过next成员指针找到下一个元素做到首尾相接，那一个数组的首尾又不相连，怎么会实现出一个环形队列呢？其实，我们是借助 % array_len 的方式，实现的一手首尾互通，可以循环的走。

举一个简单的例子：

 我们在插入的时候，是直接在tail位置进行插入（因为tail始终是指向最后一个队尾元素的下一个元素），但是上图当中，我们刚刚插入7这个元素之后，就需要我们++tail，但是这样就完了吗？这样会产生越界，而且你是环形队列，你index==8的下一个位置应该是循环回头[0]！！！我们的解决方法是%arr_len的方式。（8 + 1）之后再 % 数组长度9，结果是0，就回到了数组头的位置了！！！

3. 代码手撕环形队列各个接口

3.1 代表封装一个环形队列

我们选择了数组结构实现环形队列，那么我们就要在堆区开辟一个数组，所以我们存储封装一个数组指针成员int* _a。

然后任何一个环形队列都是定长的，所以我们不妨定义一个int _k，代表当前队列最多能存储的有效元素的数量。（这个_k也是）

然后环形队列控制首尾也是必要的，所以我们定义一个head和tail分别管理队头和队尾，即分别负责删除和插入（tail指代的是队尾元素的下一个位置，空时与head重合）。

//我们使用数组来模拟实现循环队列
typedef struct {
    int* _a;    //数组实体
    int _k;     //最大容纳有效数据个数
    int _head;  //队头[删除]
    int _tail;  //队尾[插入]
} MyCircularQueue;

3.2 环形队列的初始化

我们创建一个环形队列，或者任何一个类对象，就要对之完成初始化，这里我们把创建环形队列的方法封装成一个接口myCircularQueueCreate，返回的是一个在堆区创建环形队列的指针，然后在这个接口当中我们对之完成初始化。

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
    //在堆区开辟一个环形队列变量MyCircularQueue
    MyCircularQueue* p_circularQueue = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    p_circularQueue->_k = k;
    p_circularQueue->_head = 0;
    p_circularQueue->_tail = 0; //默认一开始首尾指针指向[0]的位置
    //构造可以存储k个有效数据的环形队列空间，需要我们开辟k+1的空间
    int* ptmp = (int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
    if(ptmp==NULL){
        exit(1);
    }
    p_circularQueue->_a = ptmp;
    //返回创造的环形队列实体
    return p_circularQueue;
}

3.3 环形队列的插入

这里要两个需要特别注意的点：一个判断当前环形队列是否为满，环形队列是定长的，如果为满就是插入失败。第二个点是，tail的更新需要考虑从尾至首。

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
    //向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
    //循环队列存满了就不让存了，所以存在false插入失败的情况

    //1.判断是否为满(tail->next==head)
    //tail的next不能简单++，我们需要考虑到从数组尾[k]到数组头[0]的情况,所以(tail++);tail%=(k+1);即可
    int next_tail = (obj->_tail+1)%(obj->_k+1);
    if(next_tail==obj->_head)
    {
        return false;
    }
    //2.进行插入
    obj->_a[obj->_tail] = value;
    //更新tail
    obj->_tail = next_tail;
    return true;
}

3.4环形队列的删除

如果为空，不能删除；删除就是直接++head，更新头的位置即可完成（伪删除法），但是此时还时要考虑head从尾至首这样的一个特殊情况。

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
    //从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
    //存在是空的环形队列，所以存在删除失败false的情况

    //1.判断是否为空:head与tail重合
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj)) //obj->_head==obj->_tail
    {
        return false;
    }
    //2.删除就是把head++,指向下一个元素即可 
    //可是head也存在从数组尾更新到数组头的情况
    obj->_head++;
    obj->_head%=(obj->_k+1);
    return true;
}

3.5环形队列的判空

我们设定head和tail重合的时候为空。

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
    //两个指针重合代表空
    return obj->_head==obj->_tail;
}

3.6环形队列的判满

满的时候我们设定的状态是tail的next值就是head，那就是满状态。（当然这里要记住：我们存在从数组尾n-1到头0的转变，所以说不能直接无脑对tail+1哦）

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
    //tail->next==head代表满
    return (((obj->_tail)+1)%(obj->_k+1))==obj->_head;
}

3.7环形队列的队头

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
    //从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
    //存在从空队列中取数据的情况,这种情况是非法情况
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    //队头的数据,就是head指向的数据
    return obj->_a[obj->_head];
}

3.8环形队列的队尾

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
    //获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
    //存在从空队列中取数据的情况,这种情况是非法情况
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return -1;
    }
    //tail指向的是下一个要插入的数据的位置
    //所以上一个队尾的数据应该是tail-1的位置
    //但是在这种情况下,tail也有从队首回到队尾的情况出现
    //所以我们需要淡出讨论这种情况
    if(obj->_tail == 0)
    {
        return obj->_a[obj->_k];
    }
    return obj->_a[obj->_tail-1];
}

3.9环形队列的销毁

环形队列的成员变量都是定义在堆区的，然后指向的数组空间也是存储在堆区的，我们使用完环形队列要对之销毁。

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
    //释放所有的堆区空间
    free(obj->_a);
    free(obj);
}