数据结构实验4.2：循环队列的基本操作

文章目录

一，问题描述
二，基本要求
三，循环队列存储结构设计
四，示例代码
五，实验操作
六，运行效果

一，问题描述

（1）初始化队列：创建一个空的循环队列，设置队列的头指针 front 和尾指针 rear 到合适的初始位置（通常 front 和 rear 都初始化为 0），并分配足够的内存空间来存储队列元素。
（2）进队操作：将新的元素添加到循环队列中。首先检查队列是否已满（通过判断队满条件），若未满，则将元素插入到尾指针 rear 所指的位置，并更新尾指针（根据循环队列的规则，可能需要对尾指针进行取模运算以实现循环）。
（3）出队操作：从循环队列中移除并返回队头元素。首先检查队列是否为空（通过判断队空条件），若不为空，则取出队头指针 front 所指的元素，然后更新队头指针（同样可能需要对队头指针进行取模运算）。
（4）判断队空：通过比较队头指针 front 和队尾指针 rear 的值来判断队列是否为空。若 front 和 rear 相等，则队列为空。
（5）判断队满：由于循环队列中 front 和 rear 相等时既可能表示队空也可能表示队满，所以通常采用两种方法来判断队满：一是设置一个标志位来记录队列的状态；二是牺牲一个存储单元，当 (rear + 1) % 队列容量 == front 时表示队满。
（6）调用进队函数建立一个队列：通过多次调用进队函数，将多个元素依次添加到循环队列中，构建出一个完整的循环队列。在添加元素过程中，要注意队满情况的处理。
（7）输出队列中的所有元素：遍历循环队列，从队头指针 front 开始，按照队列的顺序输出每个元素，直到遇到队尾指针 rear（或者根据循环队列的特性进行相应的遍历）。

二，基本要求

（1）设计循环队列的存储结构：

typedef int QElemType;
typedef struct {
    
    
    QElemType  *base;  // 用于存储队列元素的数组指针
    int  front;       // 队头指针，指向队头元素的位置
    int  rear;        // 队尾指针，指向队尾元素的下一个位置
    int  capacity;    // 队列的容量
}SqQueue;

（2）设计基于循环队列的几种基本操作的算法：

初始化队列算法：
1. 分配内存空间给 base 数组，大小为指定的队列容量。
2. 将 front 和 rear 初始化为 0。
3. 设置 capacity 为队列的容量。
进队操作算法：
1. 判断队列是否已满（使用判断队满的方法）。
2. 若未满，将元素存储到 base[rear] 位置。
3. 更新 rear 为 (rear + 1) % capacity。
出队操作算法：
1. 判断队列是否为空（使用判断队空的方法）。
2. 若不为空，取出 base[front] 的元素。
3. 更新 front 为 (front + 1) % capacity。
判断队空算法：返回 front == rear 的结果。
判断队满算法：根据选择的判断队满方法（如 (rear + 1) % capacity == front 或通过标志位）返回相应的结果。
建立队列算法：
1. 初始化一个空的循环队列。
2. 依次调用进队函数，将元素添加到队列中。
输出队列元素算法：
1. 从 front 开始，按照循环队列的规则遍历队列。
2. 输出每个元素，直到遇到 rear（或根据循环特性进行判断）。

（3）在参考程序中的下划线处填写适当的语句，完成参考程序：仔细分析参考程序的逻辑，根据设计的存储结构和算法，在相应位置补充缺失的代码，使程序完整且能正确运行。

（4）设计测试用例，上机调试、测试参考程序，记录测试结果，对结果进行分析：

设计测试用例：包括空队列的操作（如判断队空、出队）、正常队列的进队和出队（多次进队和出队操作）、边界情况（队满时进队、队空时出队）等。
上机调试：运行程序，输入测试用例，观察程序的运行情况，检查是否有错误或异常。
记录测试结果：记录每个测试用例的输入和输出，以及程序的运行状态（如是否崩溃、是否得到预期结果）。
分析结果：根据测试结果，分析程序的正确性、性能和稳定性。检查是否存在逻辑错误、边界条件处理不当等问题，并进行相应的修改和优化。

（5）要求每完成一个步骤就必须及时输出队列中元素以便观察操作结果：在初始化队列、进队、出队、建立队列等操作完成后，立即调用输出队列元素的函数，显示当前队列的内容，方便直观地了解操作对队列的影响。

三，循环队列存储结构设计

typedef int QElemType;
typedef struct {
    
    
    QElemType  *base;
    int  front;   
    int  rear;
    int  capacity;
}SqQueue;

解释：

base 指针用于指向存储队列元素的数组，通过动态分配内存来存储队列中的数据。
front 表示队头指针，指向队头元素在数组中的位置。
rear 表示队尾指针，指向队尾元素的下一个位置（在循环队列的逻辑中）。
capacity 记录队列的容量，即数组能够存储的元素的最大数量。

四，示例代码

#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#define MAXSIZE 10
#define OK 1
#define ERROR 0

typedef int Status;
typedef int QElemType;

typedef struct {
    
    
    QElemType* base;
    int  front;
    int  rear;
}SqQueue;

Status InitQueue(SqQueue& Q) {
    
               		// 队列初始化
    Q.base = (QElemType*)malloc(MAXSIZE * sizeof(QElemType));
    if (!Q.base) return ERROR;
    Q.front = Q.rear = 0; // 1. 初始化队头和队尾指针都为0
    return  OK;
}

Status EnQueue(SqQueue& Q, QElemType e) {
    
     	// 将元素e插入队列Q的队尾
    if ((Q.rear + 1) % MAXSIZE == Q.front) return ERROR;	//若队列满，进队失败 2. 判断队列是否已满
    Q.base[Q.rear] = e;
    Q.rear = (Q.rear + 1) % MAXSIZE;     		// 修改队尾指针 3. 更新队尾指针，实现循环队列的逻辑
    return OK;
}

Status DeQueue(SqQueue& Q, QElemType& e) {
    
    	//删除队列Q的队首元素，并用e带回
    if (Q.front == Q.rear) return ERROR;	// 若队空，出队失败 4. 判断队列是否为空
    e = Q.base[Q.front];
    Q.front = (Q.front + 1) % MAXSIZE;    		//修改队首指针 5. 更新队首指针，实现循环队列的逻辑
    return OK;
}

void OutputQueue(SqQueue Q)        			// 输出队列中元素
{
    
    
    while (Q.front != Q.rear) {
    
             			// 如果队列非空
        printf("%d  ", Q.base[Q.front]);
        Q.front = (Q.front + 1) % MAXSIZE;
    }
    printf("\n");
}

void main()
{
    
    
    SqQueue Q;
    InitQueue(Q);
    int op, x;
    while (1)
    {
    
    
        printf("请选择操作：1.进队  2.出队  0.退出==>");
        scanf("%d", &op);
        switch (op) {
    
    
        case 0:            				// 退出
            return;
        case 1:            				// 进队
            printf("请输入进队元素："); 	// 整数
            scanf("%d", &x);
            if (!EnQueue(Q, x)) 	// 进队失败 6. 调用进队函数，若返回值为假则进队失败
                printf("  队列满！\n");
            else {
    
    
                printf("进队成功，队内元素为：\n");
                OutputQueue(Q);
            }
            break;
        case 2:           				// 出队
            if (DeQueue(Q, x)) {
    
     	// 出队成功 7. 调用出队函数，若返回值为真则出队成功
                printf("出队元素为：[%d]，队内元素为：\n", x);
                OutputQueue(Q);
            }
            else
                printf("  队已空！\n");
            break;
        }
    }
}