环形队列实现
环形队列实现原理
发表于2011/7/9 9:28:55 12945人阅读
分类： Linux系统开发
环形队列是在实际编程极为有用的数据结构,它有如下特点。
它是一个首尾相连的FIFO的数据结构，采用数组的线性空间,数据组织简单。能很快知道队列是否满为空。能以很快速度的来存取数据。
因为有简单高效的原因，甚至在硬件都实现了环形队列.
环形队列广泛用于网络数据收发，和不同程序间数据交换（比如内核与应用程序大量交换数据,从硬件接收大量数据）均使用了环形队列.
一.环形队列实现原理
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内存上没有环形的结构，因此环形队列实上是数组的线性空间来实现。那当数据到了尾部如何处理呢？它将转回到0位置来处理。这个的转回是通过取模操作来执行的。
因此环列队列的是逻辑上将数组元素q[0]与q[MAXN-1]连接，形成一个存放队列的环形空间。
为了方便读写，还要用数组下标来指明队列的读写位置。head/tail.其中head指向可以读的位置，tail指向可以写的位置。
环形队列的关键是判断队列为空，还是为满。当tail追上head时，队列为满时，当head追上tail时，队列为空。但如何知道谁追上谁。还需要一些辅助的手段来判断.
如何判断环形队列为空，为满有两种判断方法。
一.是附加一个标志位tag
当head赶上tail，队列空，则令tag=0,
当tail赶上head，队列满，则令tag=1,
当tail赶上head，队列满，则令tag=1,
二.限制tail赶上head，即队尾结点与队首结点之间至少留有一个元素的空间。
队列空： head==tail
队列满： (tail+1)% MAXN ==head
队列满： (tail+1)% MAXN ==head
二.附加标志实现算法
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采用第一个环形队列有如下结构
typedef struct ringq{
int head; /* 头部，出队列方向*/
int tail; /* 尾部，入队列方向*/
int tag ;
int size ; /* 队列总尺寸 */
int space[RINGQ_MAX]; /* 队列空间 */
}RINGQ;
初始化状态: q->head = q->tail = q->tag = 0;
队列为空:(q->head == q->tail) && (q->tag == 0)
队列为满: ((q->head == q->tail) && (q->tag == 1))
入队操作:如队列不满，则写入
q->tail = (q->tail + 1) % q->size ;
出队操作：如果队列不空，则从head处读出。
出队操作：如果队列不空，则从head处读出。
下一个可读的位置在 q->head = (q->head + 1) % q->size
完整代码
头文件ringq.h
#ifndef __RINGQ_H__
#define __RINGQ_H__
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#define QUEUE_MAX 20
typedef struct ringq{
int head; /* 头部，出队列方向*/
int tail; /* 尾部，入队列方向*/
int tag ; /* 为空还是为满的标志位*/
int size ; /* 队列总尺寸 */
int space[QUEUE_MAX]; /* 队列空间 */
}RINGQ;
/*
第一种设计方法:
当head == tail 时，tag = 0 为空，等于 = 1 为满。
*/
extern int ringq_init(RINGQ * p_queue);
extern int ringq_free(RINGQ * p_queue);
/* 加入数据到队列 */
extern int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data);
/* 从队列取数据 */
extern int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int *p_data);
#define ringq_is_empty(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 0))
#define ringq_is_full(q) ( (q->head == q->tail) && (q->tag == 1))
#define print_ringq(q) printf("ring head %d,tail %d,tag %d\n", q->head,q->tail,q->tag);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* __RINGQ_H__ */
实现代码 ringq.c
#include <stdio.h>
#include "ringq.h"
int ringq_init(RINGQ * p_queue)
{
p_queue->size = QUEUE_MAX ;
p_queue->head = 0;
p_queue->tail = 0;
p_queue->tag = 0;
return 0;
}
int ringq_free(RINGQ * p_queue)
{
return 0;
}
int ringq_push(RINGQ * p_queue,int data)
{
print_ringq(p_queue);
if(ringq_is_full(p_queue))
{
printf("ringq is full\n");
return -1;
}
p_queue->space[p_queue->tail] = data;
p_queue->tail = (p_queue->tail + 1) % p_queue->size ;
/* 这个时候一定队列满了*/
if(p_queue->tail == p_queue->head)
{
p_queue->tag = 1;
}
return p_queue->tag ;
}
int ringq_poll(RINGQ * p_queue,int * p_data)
{
print_ringq(p_queue);
if(ringq_is_empty(p_queue))
{
printf("ringq is empty\n");
return -1;
}
*p_data = p_queue->space[p_queue->head];
p_queue->head = (p_queue->head + 1) % p_queue->size ;
/* 这个时候一定队列空了*/
if(p_queue->tail == p_queue->head)
{
p_queue->tag = 0;
}
return p_queue->tag ;
}
测试代码
/* 测试第一种环形队列*/
void test5()
{
RINGQ rq, * p_queue;
int i,data;
p_queue = &rq;
ringq_init(p_queue);
for(i=0; i < QUEUE_MAX +2 ; i++)
{
ringq_push(p_queue,i+1);
}
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
ringq_free(p_queue);
}
/* 测试第一种环形队列,更加复杂的情况*/
void test6()
{
RINGQ rq, * p_queue;
int i,data;
p_queue = &rq;
ringq_init(p_queue);
ringq_push(p_queue,1);
ringq_push(p_queue,2);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
ringq_push(p_queue,3);
ringq_push(p_queue,4);
ringq_push(p_queue,5);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
ringq_push(p_queue,6);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
if(ringq_poll(p_queue,&data)>=0)
PRINT_INT(data);
ringq_free(p_queue);
}
三.预留空间环境队列
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不采用tag,只留一个空间
初始化状态: q->head = q->tail = q->tag = 0;
队列为空:(q->head == q->tail)
队列为满: (((q->tail+1)%q->size) == q->head )
入队操作:如队列不满，则写入
q->tail = (q->tail + 1) % q->size ;
出队操作：如果队列不空，则从head处读出。
出队操作：如果队列不空，则从head处读出。
下一个可读的位置在 q->head = (q->head + 1) % q->size
头文件
ringq.h
#ifndef __RINGQ_H__
#define __RINGQ_H__
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#define RINGQ_MAX 20
typedef struct ringq{
int head; /* 头部，出队列方向*/
int tail; /* 尾部，入队列方向*/
int size ; /* 队列总尺寸 */
int space[RINGQ_MAX]; /* 队列空间 */
}RINGQ;
/*
取消tag .限制读与写之间至少要留一个空间
队列空 head == tail .
队列满是 (tail+1)%MAX == head
初始化是head = tail = 0;
*/
extern int ringq_init(RINGQ * p_ringq);
extern int ringq_free(RINGQ * p_ringq);
extern int ringq_push(RINGQ * p_ringq,int data);
extern int ringq_poll(RINGQ * p_ringq,int * p_data);
#define ringq_is_empty(q) (q->head == q->tail)
#define ringq_is_full(q) (((q->tail+1)%q->size) == q->head )
#define print_ringq2(q,d) printf("ring head %d,tail %d,data %d\n", q->head,q->tail,d);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* __QUEUE_H__ */
实现代码ringq.c
#include <stdio.h>
#include "ringq.h"
int ringq_init(RINGQ * p_ringq)
{
p_ringq->size = RINGQ_MAX;
p_ringq->head = 0;
p_ringq->tail = 0;
return p_ringq->size;
}
int ringq_free(RINGQ * p_ringq)
{
return 0;
}
/* 往队列加入数据 */
int ringq_push(RINGQ * p_ringq,int data)
{
print_ringq(p_ringq,data);
if(ringq_is_full(p_ringq))
{
printf("ringq is full,data %d\n",data);
return -1;
}
p_ringq->space[p_ringq->tail] = data;
p_ringq->tail = (p_ringq->tail + 1) % p_ringq->size ;
return p_ringq->tail ;
}
int ringq_poll(RINGQ * p_ringq,int * p_data)
{
print_ringq(p_ringq,-1);
if(ringq_is_empty(p_ringq))
{
printf("ringq is empty\n");
return -1;
}
*p_data = p_ringq->space[p_ringq->head];
p_ringq->head = (p_ringq->head + 1) % p_ringq->size ;
return p_ringq->head;
}
作者：Andrew Huang bluedrum@163.com
