数据结构和算法学习记录——设计循环队列(数组实现循环队列)核心思路、题解过程、完整题解

简介: 数据结构和算法学习记录——设计循环队列(数组实现循环队列)核心思路、题解过程、完整题解

题目描述

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。


你的实现应该支持如下操作:


  • 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。

题目示例

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

核心思路

循环队列可以用链表实现,也可以用数组实现。

链表实现

数组实现

重点

无论使用数组实现还是链表实现,循环队列都是需要多开一个空间。也就是说,当我们需要存n个数据,那使用循环队列的话,就要开n+1个空间,否则无法判断队列为空以及队列为满。

head指向头,tail指向尾,n表示循环队列能存储多少个数据。

数组循环列队

判空条件:head == tail

判满条件:head == (tail+1) %(n+ 1)


判满条件:head == (tail+1) %(n+ 1)



(例如:一个循环队列能存储3个数据,那么它循环队列满的情况下,tail指向的位置就是第五个,下标为3; (3(tail) + 1) % (3(n) + 1)) = 0 == head)

链表循环队列

判空条件:head == tail

判满条件:head == tail-> next

题解过程

数组实现

结构体类型定义

因为循环队列的大小题目要求中是在创建队列函数中进行malloc的,所以我们设计结构体时,就创建指针变量,用于后面存储函数中malloc的地址;创建两个下标,分别指向头和尾;创建一个变量记录循环队列的存储容量。

typedef struct
{
    int * a;
    int head;
    int tail;
    int k;
} MyCircularQueue;

创建一个循环队列并初始化

先开辟一个循环队列结构体大小的空间,再开辟循环队列结构体内部数组大小的空间;并进行初始化。

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k)
{
    MyCircularQueue* cq = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    cq->a = (int*)malloc(sizeof(int) * (k + 1));
    cq->head = cq->tail = 0;
    cq->k = k;
 
    return cq;
}

判断循环队列为空或为满

根据前面判空判满的条件直接写即可

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj)
{
    return obj->head == obj->tail;
}

入队列函数

判断队列是否为满,为满的话直接返回false;不为满则插入数据后,++tail,同时++tail时会有两种情况:

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

出队列函数

思路与入队列是一致的,只不过移动的从tail变成head,换成用head来操作即可。

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj)
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return false;
    (obj->head)++;
    obj->head %= (obj->k+1);
    return true;
}

取队头数据

取队头很简单,head指向的就是队头的数据。注意题目要求:循环队列为空的话就返回-1。

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->a[obj->head];
}

取队尾数据

取队尾会有两种情况:

情况二可以有两种解决方法:

  1. 判断 当tail == 0时,取数组下标为n的数据
  2. 作统一计算处理,建立一个下标变量i,i = (tail + n)%(n+1)。取下标为i的数据即为队尾数据。 例:取情况一的队尾-> i = (3 + 3) % (3 + 1) = 2,下标为2的数据正是队尾数据[3]; 再取情况二的队尾-> i = (0 + 3) % (3 + 1) = 3,下标为3的数据正是队尾数据[4]。
//第一种
// int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)
// {
//     if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
//         return -1;
 
//     if(obj->tail == 0)
//         return obj->a[obj->l];
//     else
//         return obj->a[obj->tail-1];
// }
//第二种
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
    {
        int i = ((obj->tail)+(obj->k)) % ((obj->k)+1);
        return obj->a[i];
    }
  
}

销毁循环队列

注意是有两层的空间需要free,由内到外free即可。

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

完整题解

typedef struct
{
    int * a;
    int head;
    int tail;
    int k;
} MyCircularQueue;
 
 
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k)
{
    MyCircularQueue* cq = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    cq->a = (int*)malloc(sizeof(int) * (k + 1));
    cq->head = cq->tail = 0;
    cq->k = k;
 
    return cq;
}
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj)
{
    return obj->head == obj->tail;
}
 
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj)
{
    return (obj->tail+1) % (obj->k+1) == obj->head;
}
 
 
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value)
{
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
        return false;
    obj->a[obj->tail] = value;
    (obj->tail)++;
    obj->tail %= (obj->k+1);
 
    return true;
}
 
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj)
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return false;
    (obj->head)++;
    obj->head %= (obj->k+1);
    return true;
}
 
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj)
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->a[obj->head];
}
 
//第一种
// int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)
// {
//     if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
//         return -1;
 
//     if(obj->tail == 0)
//         return obj->a[obj->l];
//     else
//         return obj->a[obj->tail-1];
// }
//第二种
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj)
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
    {
        int i = ((obj->tail)+(obj->k)) % ((obj->k)+1);
        return obj->a[i];
    }
  
}
 
 
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj)
{
    free(obj->a);
    free(obj);
}
 
/**
 * Your MyCircularQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyCircularQueue* obj = myCircularQueueCreate(k);
 * bool param_1 = myCircularQueueEnQueue(obj, value);
 
 * bool param_2 = myCircularQueueDeQueue(obj);
 
 * int param_3 = myCircularQueueFront(obj);
 
 * int param_4 = myCircularQueueRear(obj);
 
 * bool param_5 = myCircularQueueIsEmpty(obj);
 
 * bool param_6 = myCircularQueueIsFull(obj);
 
 * myCircularQueueFree(obj);
*/

end



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