优化后队列的实现(C语言实现)

2022-08-18 09:36:02

上一篇中的队列的定义与实现(C语言实现) 中，无论是顺序队列还是链式队列，在尾加和删除头部的操作时，总有一个时间复杂度让人不满意。比如在顺序队列中，删除头部的操作后，总要将后面所有的结点都向前移动一位，这里消耗的较大的；又如在在链式队列中，尾加结点时，为了寻找到最后一位结点，要遍历整个队列，时间复杂度同样是O(n)。

为此，这里需要做出一些改变。其中严蔚敏老师的数据结构书中就是这么干的。

循序队列的优化方案：

定义front使其始终代表队头的下标
出队时将队头元素返回，且且front++
定义rear使其始终代表队尾下一个元素的下标
入队时将新元素插入，且rear++

头文件：

#ifndef _SEQQUEUE_H_
#define _SEQQUEUE_H_

typedef void SeqQueue;

SeqQueue* SeqQueue_Create(int capacity);

void SeqQueue_Destroy(SeqQueue* queue);

void SeqQueue_Clear(SeqQueue* queue);

int SeqQueue_Append(SeqQueue* queue, void* item);

void* SeqQueue_Retrieve(SeqQueue* queue);

void* SeqQueue_Header(SeqQueue* queue);

int SeqQueue_Length(SeqQueue* queue);

int SeqQueue_Capacity(SeqQueue* queue);

#endif

源文件：

// 优化的顺序队列.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"

#include "SeqQueue.h"
#include <stdlib.h>


typedef unsigned int TSeqQueueNode;

typedef struct _tag_SeqQueue
{
    int capacity;
    int length;
    int front;
    int rear;
    TSeqQueueNode* node;
} TSeqQueue;


SeqQueue* SeqQueue_Create(int capacity) 
{
	TSeqQueue* ret = NULL;
	if (capacity > 0)
	{
		ret = (TSeqQueue*)malloc(sizeof(TSeqQueue) + sizeof(TSeqQueueNode) * capacity);
	}
	if (NULL != ret)
	{
		ret->capacity = capacity;
		ret->front = 0; //代表队头的下标
		ret->length = 0; //长度
		ret->node =  (TSeqQueueNode*)(ret + 1); //指向的结点
		ret->rear = 0;  //队尾下一个结点的下标
	}
	return ret;
}

void SeqQueue_Destroy(SeqQueue* queue) 
{
	free(queue);   
}

void SeqQueue_Clear(SeqQueue* queue) 
{
	TSeqQueue* sQueue = (TSeqQueue*)queue;
	if (NULL != sQueue)
	{
		sQueue->front = 0; //代表队头的下标
		sQueue->length = 0; //长度		
		sQueue->rear = 0;  //队尾下一个结点的下标
	}
}
//在尾部插入
int SeqQueue_Append(SeqQueue* queue, void* item) 
{
    TSeqQueue* sQueue = (TSeqQueue*)queue;
	int ret = 0;
	if ((NULL != sQueue) && (NULL != item) && (sQueue->length+1  <= sQueue->capacity))
	{
		ret = 1;
		sQueue->node[sQueue->rear] = (TSeqQueueNode)item;
		sQueue->rear =  (sQueue->rear + 1) % sQueue->capacity;
		sQueue->length++ ;
	}
	return ret;
}

//删除头部
void* SeqQueue_Retrieve(SeqQueue* queue) 
{
     TSeqQueue* sQueue = (TSeqQueue*)queue;
    void* ret = SeqQueue_Header(queue);
    
    if( ret != NULL )
    {
        sQueue->front = (sQueue->front + 1) % sQueue->capacity;
        
        sQueue->length--;
    }
    
    return ret;
}

//获得头部
void* SeqQueue_Header(SeqQueue* queue)  
{
   TSeqQueue* sQueue = (TSeqQueue*)queue;
    void* ret = NULL;
   if ((NULL != sQueue) && (sQueue->length > 0))
   {
	    ret = (void*)(sQueue->node[sQueue->front]);
   }
    return ret;
}

int SeqQueue_Length(SeqQueue* queue) 
{
    TSeqQueue* sQueue = (TSeqQueue*)queue;
    int ret = -1;
    
    if( sQueue != NULL )
    {
        ret = sQueue->length;
    }
    
    return ret;
}

int SeqQueue_Capacity(SeqQueue* queue) 
{
     TSeqQueue* sQueue = (TSeqQueue*)queue;
    int ret = -1;
    
    if( sQueue != NULL )
    {
        ret = sQueue->capacity;
    }
    
    return ret;
}



int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	 SeqQueue* queue = SeqQueue_Create(20);
    int a[10] = {0};
    int i = 0;
    
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        a[i] = i + 1;
        
        SeqQueue_Append(queue, a + i);
    }
    
    printf("Header: %d\n", *(int*)SeqQueue_Header(queue));
    printf("Length: %d\n", SeqQueue_Length(queue));
    printf("Capacity: %d\n", SeqQueue_Capacity(queue));
    
    while( SeqQueue_Length(queue) > 0 )
    {
        printf("Retrieve: %d\n", *(int*)SeqQueue_Retrieve(queue));
    }
    
    SeqQueue_Destroy(queue);

	system("pause");
	return 0;
}

运行结果：

Header: 1
Length: 10
Capacity: 20
Retrieve: 1
Retrieve: 2
Retrieve: 3
Retrieve: 4
Retrieve: 5
Retrieve: 6
Retrieve: 7
Retrieve: 8
Retrieve: 9
Retrieve: 10
请按任意键继续. . .

=========================================================================

链式队列的优化：

定义front指针始终指向链表中的第一个结点

定义rear指针始终指向链表中的最后一个结点
入队时将新元素通过rear插入队尾，且将rear指向新元素

头文件：

#ifndef _LINKQUEUE_H_
#define _LINKQUEUE_H_

typedef void LinkQueue;

LinkQueue* LinkQueue_Create();

void LinkQueue_Destroy(LinkQueue* queue);

void LinkQueue_Clear(LinkQueue* queue);

int LinkQueue_Append(LinkQueue* queue, void* item);

void* LinkQueue_Retrieve(LinkQueue* queue);

void* LinkQueue_Header(LinkQueue* queue);

int LinkQueue_Length(LinkQueue* queue);

#endif

源文件：

// 优化的链式队列.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//

#include "stdafx.h"
#include <malloc.h>
#include <stdlib.h>
#include "LinkQueue.h"



typedef struct _tag_LinkQueueNode TLinkQueueNode;
struct _tag_LinkQueueNode
{
    TLinkQueueNode* next;
    void* item;
};

typedef struct _tag_LinkQueue
{
    TLinkQueueNode* front;
    TLinkQueueNode* rear;
    int length;
} TLinkQueue;


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{

	LinkQueue* queue = LinkQueue_Create();
    int a[10] = {0};
    int i = 0;
    
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        a[i] = i + 1;
        
        LinkQueue_Append(queue, a + i);
    }
    
    printf("Header: %d\n", *(int*)LinkQueue_Header(queue));
    printf("Length: %d\n", LinkQueue_Length(queue));
    
    while( LinkQueue_Length(queue) > 0 )
    {
        printf("Retrieve: %d\n", *(int*)LinkQueue_Retrieve(queue));
    }
    
    LinkQueue_Destroy(queue);
    

	system("pause");
	return 0;
}

LinkQueue* LinkQueue_Create()
{
	TLinkQueue* ret = (TLinkQueue*)malloc(sizeof(TLinkQueue));
	if (NULL != ret)
	{
		ret->front = NULL;
		ret->length = 0;
		ret->rear = NULL;
	}
	return ret;
}
void LinkQueue_Destroy(LinkQueue* queue) // O(n)
{
    LinkQueue_Clear(queue);
    free(queue);
}

void LinkQueue_Clear(LinkQueue* queue) // O(n)
{
    while( LinkQueue_Length(queue) > 0 )
    {
        LinkQueue_Retrieve(queue);
    }
}

int LinkQueue_Append(LinkQueue* queue, void* item)
{
	TLinkQueue * sQueue= (TLinkQueue*)queue;
	TLinkQueueNode * node = (TLinkQueueNode*)malloc(sizeof(TLinkQueueNode));
	int ret  = 0;
	if ((NULL != queue) && (NULL != item) && (NULL != node))
	{
		ret = 1;
		node->item = item;
		if (sQueue->length > 0)
		{
			sQueue->rear->next = node;
			sQueue->rear = node;
			node->next = NULL;
		}
		else
		{
			sQueue->front = node;
			sQueue->rear = node;
			node->next = NULL;
		}
		sQueue->length++;
	}
	 if( !ret )
    {
        free(node);
    }
    
    return ret;
}

void* LinkQueue_Retrieve(LinkQueue* queue)
{
	 TLinkQueue* sQueue = (TLinkQueue*)queue;
    TLinkQueueNode* node = NULL;
    void* ret = NULL;
    
    if( (sQueue != NULL) && (sQueue->length > 0) )
    {
        node = sQueue->front;
        
        sQueue->front = node->next;
        
        ret = node->item;
        
        free(node);
        
        sQueue->length--;
        
        if( sQueue->length == 0 )
        {
            sQueue->front = NULL;
            sQueue->rear = NULL;
        }
    }
    
    return ret;

}
void* LinkQueue_Header(LinkQueue* queue) // O(1)
{
    TLinkQueue* sQueue = (TLinkQueue*)queue;
    void* ret = NULL;
    
    if( (sQueue != NULL) && (sQueue->length > 0) )
    {
        ret = sQueue->front->item;
    }
    
    return ret;
}

int LinkQueue_Length(LinkQueue* queue) // O(1)
{
    TLinkQueue* sQueue = (TLinkQueue*)queue;
    int ret = -1;
    
    if( sQueue != NULL )
    {
        ret = sQueue->length;
    }
    
    return ret;
}

运行结果：

Header: 1
Length: 10
Retrieve: 1
Retrieve: 2
Retrieve: 3
Retrieve: 4
Retrieve: 5
Retrieve: 6
Retrieve: 7
Retrieve: 8
Retrieve: 9
Retrieve: 10
请按任意键继续. . .

如有错误，望不吝指出。

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