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佇列的順序儲存與鏈式儲存

佇列就是我們日常生活中的排隊,佇列也是一種線性表,與堆疊相反,佇列的入列必須在隊尾,出列必須在隊頭。與一般的線性表不同,佇列的操作只能在兩端,一端插入一端刪除,先進先出。(堆疊只能在一端進行操作,所以先進後出)。

佇列的儲存方式這裡講兩種,首先第一種是用陣列的方式實現佇列的順序儲存。用一個一維陣列來儲存佇列的資料,對佇列執行操作時,插入和刪除分別是對陣列頭和陣列尾進行操作,所以還要有兩個變數來指示陣列的頭和尾。所以佇列的結構可以這樣定義:

結構體裡定義一個一維陣列Data[ ]和兩個變數HeadEndHeadEnd分別表示陣列頭下標和陣列尾的下標。初始化佇列時,一開始陣列是空的,HeadEnd

都是下標,可以把它們都設為-1

佇列的順序儲存方式思路是這樣的:首先第一個資料讀進來後,End1,再讀入資料就繼續往後加,End一直表示的是陣列中最後一個數據的下標。而當佇列中刪除一個元素時,Head就加1Head指向的位置有點不同,一開始陣列中加入元素後,第一個資料的下標是0,但Head還是-1,所以其實往後操作時,Head指向的一直都是第一個資料的下標的前一位。

在佇列的不斷操作中(插入和刪除)後因為陣列的原因,我們會遇到下面這種情況,從而出現兩個問題:


第一個問題:假設有一個能存放8個元素的陣列,陣列的最後一個位置被存放資料了,這時如果我們再要讀入資料,是可以的,因為陣列的前面有空位置可以存放,

End做為最新插入的資料的下標,要怎麼才能讓它從陣列的最後一位過渡到陣列的第一位0呢?

第二個問題:當陣列的所有位置都使用過一遍後,又從頭開始存放資料時(此時End在前了,Head反而在後),如果此時再存入一個數據,End就和Head相等了,這會出現什麼問題?一開始陣列初始化時,HeadEnd都是等於-1HeadEnd相等時我們會把它當作是佇列為空的情況的條件。在陣列被使用完一輪後,從頭開始存放資料時,End陣列尾變成了陣列頭,追上了Head,再回去看一下上圖,當End再加1後,EndHead又相等了,但它們都不會等於-1。那麼當EndHead相等時,我們怎麼知道佇列是空的還是滿的?

 第一個問題先留著(記住!!),先看看第二個問題如何解決?其實解決方法有很多,比如:

1、定義一個變數count來記錄當前資料的個數,存入資料時,count就加一,刪除資料時,count就減一,然後根據count的值如果為0就表示佇列空,如果等於陣列的大小減一就表示佇列滿。(當HeadEnd相等時,你就去檢視這個count,根據count的大小來判斷佇列的空還是滿。)

2、定義一個變數tag,一開始初始化為0。當存入一個數據時,tag的值變為1;當刪除一個數據時,tag的值變為0;最後根據tag1還是0來判斷佇列是空還是滿。(當HeadEnd相等時,就去檢視tag,因為只有插入操作時tag才會等於1,如果做到Head等於End這一步時是插入操作,那麼佇列就是滿了。相反同理,如果Head等於End這一步是刪除操作後得到的,那麼佇列就是空了。)

3、第三個方法比較推薦,就是對於大小為n的陣列,我們不把它使用滿,而是使用n-1就夠了。這種方法HeadEnd相等就只會出現在一開始佇列空的時候了。

下面來展開第三種方法的實現,就是佇列只使用n-1的陣列空間。佇列的結構體和初始化還是一樣的,我們先來看下入佇列的操作:

24行的註釋裡說明了為什麼第25行要用取餘的方式,為了解決上面提到的第一個問題,“陣列的位置被使用完一輪後,如何讓End從陣列尾過渡回到陣列頭?”,我們再看一下這副圖

陣列的大小MaxSize等於8End指向了最後一個數據的下標等於7,當(End+1%MaxSize後,End就等於0了。這樣就可以讓End從陣列尾過渡到陣列頭了,同時也可以作為判斷佇列是否滿的條件。(因為使用陣列的n-1個空間,EndHead在佇列滿時會相差1,所以當(End+1%MaxSize等於Head時,就說明佇列滿了。)。判斷完特殊情況後,就開始插入資料,如果陣列沒滿,我們就把End加一(第29行),然後把資料插入相應的陣列位置裡。

接著到出佇列,很簡單就和入佇列差不多,只不過是對Head操作:

37行一開始還是特殊情況的判斷,判斷佇列是否為空,這時判斷HeadEnd是否相等就可以了。如果佇列不為空,就讓Head加一,然後返回相應的陣列位置的元素。

上面講完第一種方式用一維陣列來順序儲存佇列,接下來看第二種:佇列的鏈式儲存,就是用線性表的方式了。

先來看下每個資料的資料結構:

結點的每個區塊都有一個Data資料,和一個Next指標來和其他區塊串聯起來。接著再定義一個結構,裡面兩個Node型的指標,HeadEnd分別指向線性表的頭結點和尾結點。

接下來看入佇列的操作:

22行,佇列一開始是空的,所以Head等於NULL,讓PtrQ->End指向第一個資料區塊,然後讓Head指向End,連結起來。第一次資料儲存完後,下一次就直接操作End就可以了,就跟普通連結串列儲存資料一樣的操作。

接著到出佇列:

因為出列就是要把那個資料區塊free掉,所以先定義一個指標HeadCell,指向要刪除的那個Head(第39行)。接著再做一個特殊情況的判斷:(第41行)如果佇列中只有一個數據,當你free掉之後,也就是刪除掉資料之後,佇列應該要為空了,但此時End仍然指向那個資料塊,所以其實並沒有刪除掉。當佇列只有一個數據塊時,我們要把HeadEnd都指向NULL,最後再freeHeadCell。如果佇列中不止一個元素,那麼就讓PtrQ->Head=PtrQ->Head->Next,然後把Head->的資料Data儲存起來做return,最後freeHeadCell就可以了。

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