一篇文章讲清楚循环队列——循环队列是什么？有什么应用场景？怎么实现？

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前言

相比于链队列，循环队列有着内存固定，效率高等特点，因而广泛应用于计算机的各个层面。本文主要介绍循环队列的概念，列举一些循环队列的应用场景，以及给出用数组实现循环队列的代码。

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一、循环队列是什么？

1.队列的两种表示方法

和线性表类似，队列有两种存储表示：分别为链式表示方式和顺序表示方式。

其中，链式表示方式的队列用链表实现。若用户无法预估队列的具体长度，那么用链队列是比较方便的，因为链表的好处就是可以很方便地添加和删除新的节点。但我们也知道链表在添加节点的时候需要动态分配内存，这个过程是比较耗费资源和时间的。

如果我们的队列长度固定，又想要有较高的性能，那么就可以用顺序表示方式的队列。

2.数组队列的“假溢出”现象

提起顺序的数据结构，大家可能首先想到了数组。那么我们能不能用正常意义上的数组实现顺序队列呢？答案是不好实现，原因就是所谓的“假溢出”现象。

系统作为队列用的存储区还没有满，但队列却发生了溢出，我们把这种现象称为"假溢出"。我们可以假设分配了大小为6的数组，用作队列。那我们在添加完a5元素后，就无法再添加元素了，因为队列已经“满了”。但是这时0-2号数组的槽位是空的，理论上是可以添加新元素的，这时候的队列元素的溢出就是“假溢出”。

假溢出问题怎么解决呢？一种方法是每次队首的元素被取出时候，剩余所有的元素都往前平移一个单位。但是这种方式太过于耗费性能，数组最不擅长删除元素，与其用这种方式实现顺序队列，还不如直接用链式队列。

还有一种方法就比较巧妙了：将数组的首尾相连，组成一个逻辑上的“循环队列”。这就是我们今天主要讲的内容了。

3.循环队列应运而生

循环队列其实就是将数组的首尾相连，组成的一个特殊结构。我们用两个指针来表示队列的队首和队尾，head表示队首的元素，tail表示队尾的下一个元素。这里的数组“尾部”的下一个元素就是“首部”，这样就可以很好避免了假溢出的问题。

有人可能有疑问了：用数组存储数据是很自然的，因为计算机的寻址方式就是线性的；那么循环队列怎么寻址，计算机有对应的寻址方式，或者说内存结构吗？

其实答案很简单，计算机确实基本没有环形结构的内存结构，我们是用计算机的线性寻址方式，来模拟环形的结构。通俗来说，就是用数组来模拟循环队列。第三节会给出一种用数组实现循环队列的方式，在此就不再赘述了。

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二、循环队列的一些应用场景

1.流水线缓冲区

现代计算机的CPU执行指令时，并不是每次一条指令，顺序执行的；而是多条指令组成流水线，并行执行的。并行执行就可能导致顺序问题。比如说正确的指令顺序是先执行A指令，再执行B指令，但是并行执行的情况下，指令顺序就可能被打乱，变成先执行B，再执行A。所以我们需要一种方法能保证指令是顺序执行的。

一种方法就是使用ROB，也就是重排缓冲区。ROB本质上就是一个循环队列，记录指令的执行顺序。每个系统时钟系统都会检测环形队列的首部指令是否执行完毕，如果执行完毕的话，首个元素就会退出。而尾部元素，就是最新的待执行的指令添加过来的。

2.使用环形队列提升IO性能

总所周知，计算机不同部件的运行速度是不同的，内存访问速度就远远大于硬盘IO速度。那么计算机在往硬盘写数据的时候，发生这种情况该怎么办：计算机短时间内由多个IO操作，第一个IO操作还没有执行完，第二个IO指令就已经发出来了，这个时候IO控制器还在处理第一个IO请求。

这种情况该怎么办？用一个循环队列可以轻松解决：计算机把所有要发送的IO命令写入一个循环队列，然后IO控制器定时去取IO命令，然后执行。这样降低了各个部件之间的耦合性，而且很好地解决了各个部件执行速率不一致的情况。

网卡是IO设备的一种，与磁盘IO用于计算机内部通信不同，网卡可以用于跨设备的通信。所以说网卡相比于别的IO设备，它的不稳定性是更强的。磁盘IO可能也就是速度慢了点，但是网络IO收到网络状况的影响很大。比如说有一段时间网络堵塞，可能等了好久都等不到下一个包。所以用循环队列来接收数据包是很必须的了。

3.线程池

上述两个例子都是比较底层的例子，那么我们在写代码的时候能否用到环形队列呢？

我们都知道，基本上所有的服务器都支持并发，也就是在一个时间间隔内能够处理多个用户的请求。但是不同的请求占用服务器的时间长短又不一样，如果使用单进程单线程的服务器，有可能一个用户请求就会阻塞服务器好久。所以我们可以使用多线程来构造服务器：将服务器进程分为生产者和消费者，生产者只是简单的接受请求，然后把连接放入循环队列，消费者从队列中取数据，做耗时较长的操作。

下边举一个简单的例子，来说明在构建web服务器的时候，如何用循环队列来实现并发服务器。

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三、用数组实现循环队列

示例如下，代码取自《深入理解计算机系统》一书：

sbuf.h文件，定义了循环队列的结构体。具体解释见注释：

#ifndef __SBUF_H__
#define __SBUF_H__

#include "csapp.h"

/* $begin sbuft */
typedef struct {
   
    int *buf;          /* 数组结构，其长度由用户确定，在sbuf_init函数中进行内存分配 */         
    int n;