【資料結構&演算法】09-佇列概念&參考原始碼

李柱明發表於2021-11-09

資料結構演算法佇列原始碼

前言

李柱明部落格：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/15487349.html

佇列的定義

佇列（queue）-- 只允許在一端進行插入操作，而在另一端進行刪除操作的線性表：

FIFO：先進先出的線性表。
允許插入的一端稱為隊尾，允許刪除的一端稱為隊頭。

注意：佇列同樣是線性表，也有類似線性表的各種操作。只是插入只能在隊尾，刪除只能在隊頭。

佇列的抽象資料型別

佇列的抽象資料型別可由兩種實現：

順序佇列：由陣列或指標實現。
鏈式佇列：由連結串列是實現。

迴圈佇列與鏈式佇列對比

時間上：都是 O(1)。

空間上：

迴圈佇列：事先申請好空間，使用期間不釋放。
鏈佇列：每次申請和釋放結點也會存在一些時間開銷。
迴圈佇列：固定長度，故存在儲存元素個數和空間浪費的問題。
鏈佇列：需要指標域，產生一些空間上的開銷，在空間上更靈活。

迴圈佇列

特點

迴圈佇列由陣列實現。但是陣列是有侷限性的，所以迴圈佇列有以下特點：

當隊頭固定設為陣列下標為 0 的位置時：入隊 O(1)，但出隊 O(n)。
當不限制隊頭必須在陣列下標為 0 的位置時，可以提高一些效能。
1. 需要引入兩個下標。對頭和隊尾。
採用遊標&迴圈方式：
1. 引入兩個指標，隊頭和隊尾。
2. 迴圈方式，即是如隊尾溢位時便調到陣列頭繼續。

定義

迴圈佇列的定義：

佇列的頭尾相接的順序儲存結構稱為迴圈佇列。
- 可以理解為陣列尾就是陣列頭，把頭尾接駁。

迴圈佇列相關計算

計算：

佇列 size：queue_size
佇列空判斷：head == tail
佇列長度計算：(tail - head + QueueSize) % queue_size
佇列滿判斷：head == (tail + 1) % queue_size
- 整個佇列需要保留一個空的元素。
入隊：tail = (tail + 1) % queue_size
出隊：head = (head +1) % queue_size

鏈式佇列

定義

鏈式佇列：

佇列的鏈式儲存結構，其實就是線性表的單連結串列，但只能尾進頭出，簡稱鏈佇列。
本筆記的 demo 需要一個哨兵。即是頭結點。哨兵為空節點（邏輯上不作為資料空間），有 queue->head 指向。
隊頭指標指向鏈佇列的頭結點，隊尾指標指向終端結點。
空佇列：head 和 tail 都指向頭結點。

無哨兵鏈式佇列：

有哨兵鏈式佇列：

阻塞佇列

阻塞佇列：

就是在佇列基礎上增加了阻塞操作。
出隊：當佇列為空時，出隊阻塞。
入隊：當佇列滿時，入隊阻塞。
可參考 FreeRTOS，採用連結串列方式維護被阻塞的執行緒。
- 如有資料入隊正常入隊後，檢查出隊阻塞連結串列，阻塞連結串列中優先順序最高的任務解除阻塞。
  - 把需要解除的任務的事件節點從訊息佇列的等待接收連結串列中移除。
  - 把需要解除的任務的狀態節點從延時連結串列中移除，並插入到就緒連結串列中。
- 若資料入隊阻塞，則：
  - 把當前任務的事件節點插入到該佇列的等待傳送連結串列中。
  - 把當前任務的狀態節點從就緒連結串列移除，並插入到延時連結串列中。（RTOS 會實時檢查延時連結串列）
- 注意：出隊阻塞超時時，該任務會恢復就緒態，並在獲得 CPU 許可權後繼續執行入隊操作，看 API BaseType_t xQueueReceive(); 可知，恢復執行後便檢查任務超時時間是否到期，若到期了，就把當前任務的事件節點從訊息佇列等待接收連結串列中移除，並返回錯誤碼。

併發佇列

併發佇列：

執行緒安全的佇列叫作併發佇列。
可以通過鎖機制實現執行緒安全，意思是給佇列配個鎖。
但是鎖粒度大併發度會比較低，同一時刻僅允許一個存或者取操作。
基於陣列的迴圈佇列，利用 CAS（Compare And Swap）原子操作，可以實現非常高效的併發佇列。

程式碼實現

迴圈佇列程式碼

/** @file         queue.c
 *  @brief        簡要說明
 *  @details      詳細說明
 *  @author       lzm
 *  @date         2021-09-10 21:12:56
 *  @version      v1.0
 *  @copyright    Copyright By lizhuming, All Rights Reserved
 *  @blog         https://www.cnblogs.com/lizhuming/
 *
 **********************************************************
 *  @LOG 修改日誌:
 **********************************************************
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 建議把本檔案修改成迴圈佇列的底層檔案。
// 建立時，上層提供原數型別大小和最大個數即可。
// 而本檔案的佇列空間顆粒改為一個位元組。

// 迴圈佇列
typedef int qe_type; /* 元素型別 */
#define QUEUE_SIZE 100 /* 棧元素個數 */
typedef struct
{
    qe_type data[QUEUE_SIZE];   /* 空間 */
    int head;                    /* 頭指標 */
    int tail;                    /* 尾指標 */
}queue_array_t;

/**
 * @name   queue_creat
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
queue_array_t *queue_array_creat(void)
{
    queue_array_t *queue_ptr = NULL;

    queue_ptr = (queue_array_t *)malloc(sizeof(queue_array_t));
    if(queue_ptr == NULL)
        return NULL;
    memset(queue_ptr, 0x00, sizeof(queue_array_t));

    queue_ptr->head = 0;
    queue_ptr->tail = 0;

    return queue_ptr;
}

/**
 * @name   queue_destroy
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_destroy(queue_array_t *queue)
{
    if(queue != NULL)
    {
        free(queue);
        return 0;
    }

    return -1;
}

/**
 * @name   queue_clear
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_clear(queue_array_t *queue)
{
    if(queue == NULL)
        return -1;

    queue->head = 0;
    queue->tail = 0;

    return 0;
}

/**
 * @name   queue_empty
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_empty(queue_array_t *queue)
{
    if(queue == NULL)
        return -1;

    if(queue->head == queue->tail)
        return 1;
  
    return 0;
}

/**
 * @name   queue_full
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_full(queue_array_t *queue)
{
    if(queue == NULL)
        return -1;

    if(queue->head == (queue->tail + 1) % QUEUE_SIZE)
        return 1;
  
    return 0;
}

/**
 * @name   queue_length
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_length(queue_array_t *queue)
{
    if(queue == NULL)
        return -1;

    return (queue->tail - queue->head + QUEUE_SIZE) % QUEUE_SIZE;
}

/**
 * @name   queue_insert
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_insert(queue_array_t *queue, qe_type elem)
{
    if(queue_full(queue) != 0)
        return -1;

    queue->data[queue->tail] = elem;
    queue->tail = (queue->tail + 1) % QUEUE_SIZE;

    return 0;
}

/**
 * @name   queue_delete
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_delete(queue_array_t *queue, qe_type *elem)
{
    if(queue_empty(queue) != 0 || elem == NULL)
    {
        return -1;
    }

    *elem = queue->data[queue->head];
    queue->head = (queue->head + 1) % QUEUE_SIZE;

    return 0;
}

/**
 * @name   queue_get_top
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_get_head(queue_array_t *queue, qe_type *elem)
{
    if(queue_empty(queue) != 0 || elem == NULL)
    {
        return -1;
    }

    *elem = queue->data[queue->head];

    return 0;
}

鏈式佇列實現

/** @file         queue.c
 *  @brief        簡要說明
 *  @details      詳細說明
 *  @author       lzm
 *  @date         2021-09-10 21:31:11
 *  @version      v1.0
 *  @copyright    Copyright By lizhuming, All Rights Reserved
 *  @blog         https://www.cnblogs.com/lizhuming/
 *
 **********************************************************
 *  @LOG 修改日誌:
 **********************************************************
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 建議把本檔案修改成迴圈佇列的底層檔案。
// 建立時，上層提供原數型別大小和最大個數即可。
// 而本檔案的佇列空間顆粒改為一個位元組。

/* 鏈式結構 */
typedef int qe_type; /* 元素型別 */
typedef struct queue_node
{
    qe_type date;
    struct queue_node *next;
}queue_node_t;

typedef struct
{
    queue_node_t *head; /* 哨兵 */
    queue_node_t *tail; /* 隊尾 */
}queue_link_t;


/**
 * @name   queue_link_creat
 * @brief  使用了哨兵方式
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
queue_link_t *queue_link_creat(int size)
{
    queue_link_t *queue_ptr = NULL;

    queue_ptr = (queue_link_t *)malloc(sizeof(queue_link_t));
    if(queue_ptr == NULL)
        return NULL;
    memset(queue_ptr, 0x00, sizeof(queue_link_t));

    queue_ptr->tail = (queue_node_t *)malloc(sizeof(queue_node_t));
    if(queue_ptr->tail == NULL)
    {
        return NULL;
    }
    queue_ptr->head = queue_ptr->tail;

    return queue_ptr;
}

/**
 * @name   queue_link_destroy
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_link_destroy(queue_link_t *queue)
{
    if(queue == NULL)
        return -1;
  
    while(queue->head)
    {
        queue->tail = queue->head->next;
        free(queue->head);
        queue->head = queue->tail;
    }

    free(queue);

    return 0;
}

/**
 * @name   queue_link_clear
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_link_clear(queue_link_t *queue)
{
    queue_node_t *queue_cur = NULL;
    queue_node_t *queue_last = NULL;

    if(queue == NULL)
        return -1;
  
    queue->tail = queue->head;
    queue_cur = queue->head->next;
    queue->head->next = NULL;
    while(queue_cur)
    {
        queue_last = queue_cur;
        queue_cur = queue_cur->next;
        free(queue_last);
    }

    return 0;
}

/**
 * @name   queue_link_empty
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_link_empty(queue_link_t *queue)
{
    if(queue == NULL)
        return -1;

    if(queue->head == queue->tail)
        return 1;
  
    return 0;
}

/**
 * @name   queue_link_length
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_link_length(queue_link_t *queue)
{
    int cnt = 0;
    queue_node_t *queue_cur = NULL;

    if(queue == NULL)
        return -1;

    queue_cur = queue->head;
    while(queue_cur != queue->tail)
    {
        cnt++;
        queue_cur = queue_cur->next;
    }

    return cnt;
}

/**
 * @name   queue_link_inster
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_link_inster(queue_link_t *queue, qe_type elem)
{
    queue_node_t *queue_node_ptr = NULL;

    queue_node_ptr = (queue_node_t *)malloc(sizeof(queue_node_t));
    if(queue_node_ptr == NULL)
        return -1;
    memset(queue_node_ptr, 0x00, sizeof(queue_node_t));

    queue_node_ptr->date = elem;
    queue_node_ptr->next = NULL;
    queue->tail->next = queue_node_ptr;
    queue->tail = queue_node_ptr;

    return 0;
}

/**
 * @name   queue_link_delete
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_link_delete(queue_link_t *queue, qe_type *elem)
{
    queue_node_t *node = NULL;

    if(queue_link_empty(queue) != 0 || elem == NULL)
    {
        return -1;
    }

    node = queue->head->next;
    *elem = node->date;
    queue->head->next = node->next;
    if(node == queue->tail)
        queue->tail = queue->head;
    free(node);

    return 0;
}

/**
 * @name   queue_link_get_top
 * @brief  
 * @param  
 * @retval 
 * @author lzm
 */
int queue_link_get_top(queue_link_t *queue, qe_type *elem)
{
    if(queue_link_empty(queue) != 0 || elem == NULL)
    {
        return -1;
    }

    *elem = queue->head->next->date;

    return 0;
}

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