循环队列原理及在单片机串口通讯中的应用（一）
循环队列原理及在单片机串口通讯中的应用（一）
前言
当写代码，不再是简单的完成需求，对代码进行堆砌，而是开始思考如何写出优美代码的时候，我们的代码水平必然会不断提升，今天，咱们来学习环形队列结构。
环形队列的基本概念
相信对数据结构有过接触的小伙伴，对队列肯定不会陌生，队列相对来说是比较简单的数据结构，典型特点是FIFO，即First in First out，先进先出，就像我们日常排队买票一样，先到的人先买票，先从购票口出去，从下面的图中，可以比较形象的了解队列的特性。
用数组创建一个普通队列，当有数据存储时，队列尾指针不断增加，直到空间用完，当数据出队列时，队列头指针不断增加，直至和队列尾相同时，所有数据完成出队列，那么这时候会引入一个问题，全部出队后，将无法继续入队，这样的情况也叫做“假溢出”，即使数组中，明明还有空间可以利用，但是却无法使用(平时我们做串口接收的时候，往往是通过清零计数器，清空数组，重新接收来解决这一问题)。
只要思想不滑坡，方法总比困难多。为了解决上面“假溢出”的现象，环形队列应运而生，即通常将一维数组Queue[0]到Queue[MAXSIZE - 1]看成是一个首尾相连接的圆环，即Queue[0]与Queue[MAXSIZE - 1]相连接在一起，将这样形式的队列成为循环队列。
环形队列实现原理
在计算机的内存中，是不存在所谓的环形内存区域的，所以，需要程序员认为的“画个圈圈”，从图示环形队列来看，存储空间有限，当数据存到末端时，如何处理呢，只需要重新转回0的地址区域，有点像“驴拉磨”的意思......
环列队列的是逻辑上将数组元素q[0]与q[MAXN-1]连接，形成一个存放队列的环形空间。
环形队列设计的重要部分是，确定队列的状态，即队列时空还是满状态。根据上面介绍的存储顺序，数据存储时，队列尾指针移动，头指针不动，数据读取时，头指针移动，尾指针不动，但是如果从单纯的“tail==head”还无法得出是处于空还是满状态，需要加些判断手段：
- 附件标志法
1、tail追上head时，tag=1，队列为满状态
2、head追上tail时，tag=0，队列为空状态
- 预留位置法
在存储数据时，最后一个位置与队列头预留至少一个单位的空间
1、head==tail 队列为空
2、(tail+1)% MAXN ==head 队列满
c语言代码实现
环形队列的原理也算比较简单，弄清楚了原理之后，进行代码的编写。
- 方法1：附加标志法
先来定义个结构体：
typedef struct Squeue
{ /*顺序循环队列的类型定义*/
DataType queue[QUEUESIZE];
int front, rear; /*队头指针和队尾指针*/
int tag; /*队列空、满的标志*/
} SCQueue;
初始化队列：
/*将顺序循环队列初始化为空队列，需要把队头指针和队尾指针同时置为0，且标志位置为0*/
void InitQueue(SCQueue *SCQ)
{
SCQ->front = SCQ->rear = 0; /*队头指针和队尾指针都置为0*/
SCQ->tag = 0; /*标志位置为0*/
}
判断是否为空队列：
/*判断顺序循环队列是否为空，队列为空返回1，否则返回0*/
int QueueEmpty(SCQueue SCQ)
{
if (SCQ.front == SCQ.rear && SCQ.tag == 0) /*队头指针和队尾指针都为0且标志位为0表示队列已空*/
return 1;
else
return 0;
}
插入元素：
/*将元素e插入到顺序循环队列SQ中，插入成功返回1，否则返回0*/
int EnQueue(SCQueue *SCQ, DataType e)
{
if (SCQ->front == SCQ->rear && SCQ->tag == 1)
/*在插入新的元素之前，判断是否队尾指针到达数组的最大值，即是否上溢*/
{
printf("顺序循环队列已满，不能入队！");
return 1;
}
else
{
SCQ->queue[SCQ->rear] = e; /*在队尾插入元素e */
SCQ->rear = (SCQ->rear + 1) % QUEUESIZE;
//SCQ->rear = SCQ->rear + 1; /*队尾指针向后移动一个位置，指向新的队尾*/
}
if (SCQ->rear == SCQ->front)
{
SCQ->tag = 1; /*队列已满，标志位置为1 */
}
return SCQ->tag;
}
读取元素：
/*删除顺序循环队列中的队头元素，并将该元素赋值给e，删除成功返回1，否则返回0*/
int DeQueue(SCQueue *SCQ, DataType *e)
{
if (QueueEmpty(*SCQ)) /*在删除元素之前，判断队列是否为空*/
{
printf("顺序循环队列已经是空队列，不能再进行出队列操作！");
return 0;
}
else
{
*e = SCQ->queue[SCQ->front]; /*要出队列的元素值赋值给e */
SCQ->front = (SCQ->front + 1) % QUEUESIZE; /*队头指针向后移动一个位置，指向新的队头元素*/
SCQ->tag = 0; /*删除成功，标志位置为0 */
}
if (SCQ->rear == SCQ->front)
{
SCQ->tag = 0; /*队列已空，标志位置为0 */
}
return SCQ->tag;
}
先来对这种方法进行测试：
void main()
{
SCQueue Q; /*定义一个顺序循环队列*/
int e; /*定义一个字符类型变量，用于存放出队列的元素*/
int a[] = {1, 2, 3, 4,5}, i;
InitQueue(&Q); /*初始化顺序循环队列*/
/*将数组中的4个元素依次入列*/
for (i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); i++)
EnQueue(&Q, a[i]);
/*将顺序循环队列中的元素显示输出*/
printf("队列中元素：");
// DisplayQueue(Q);
/*将顺序循环队列中的队头元素出队列*/
i = 0;
while (!QueueEmpty(Q))
{
printf("队头元素第%d次出队\n", ++i);
DeQueue(&Q, &e);
printf("出队的元素：");
printf("%d\n",e);
// PrintData(e);
}
}
测试结果：
- 预留位置法
代码与第一种方法区别不大，主要在空、满状态的判断上，代码如下：
/*将顺序循环队列初始化为空队列，需要把队头指针和队尾指针同时置为0，且标志位置为0*/
void InitQueue(SCQueue *SCQ)
{
SCQ->front = SCQ->rear = 0; /*队头指针和队尾指针都置为0*/
SCQ->tag = 0; /*标志位置为0*/
}
//获取队列长度
int QueueLength(SCQueue *SCQ)
{
return (SCQ->rear - SCQ->front + QUEUESIZE) % QUEUESIZE;
}
/*判断顺序循环队列是否为空，队列为空返回1，否则返回0*/
int QueueEmpty(SCQueue SCQ)
{
if (SCQ.front == SCQ.rear) /*队头指针和队尾指针都为0且标志位为0表示队列已空*/
return 1;
else
return 0;
}
/*将元素e插入到顺序循环队列SQ中，插入成功返回1，否则返回0*/
int EnQueue(SCQueue *SCQ, DataType e)
{
/*在插入新的元素之前，判断是否队尾指针到达数组的最大值，即是否上溢*/
if ((SCQ->rear + 1) % QUEUESIZE == SCQ->front)
{
printf("顺序循环队列已满，不能入队！");
return 0;
}
SCQ->queue[SCQ->rear] = e; /*在队尾插入元素e */
SCQ->rear = (SCQ->rear + 1) % QUEUESIZE; /*队尾指针向后移动一个位置，指向新的队尾*/
printf("数据已插入");
}
/*删除顺序循环队列中的队头元素，并将该元素赋值给e，删除成功返回1，否则返回0*/
int DeQueue(SCQueue *SCQ, DataType *e)
{
if (QueueEmpty(*SCQ)) /*在删除元素之前，判断队列是否为空*/
{
printf("顺序循环队列已经是空队列，不能再进行出队列操作！");
return 0;
}
else
{
*e = SCQ->queue[SCQ->front]; /*要出队列的元素值赋值给e */
SCQ->front = (SCQ->front + 1) % QUEUESIZE; /*队头指针向后移动一个位置，指向新的队头元素*/
return 1;
}
}
main函数与上面相同：
void main()
{
SCQueue Q; /*定义一个顺序循环队列*/
int e; /*定义一个字符类型变量，用于存放出队列的元素*/
int a[] = {1, 2, 3, 4,5}, i;
InitQueue(&Q); /*初始化顺序循环队列*/
/*将数组中的4个元素依次入列*/
for (i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); i++)
EnQueue(&Q, a[i]);
/*将顺序循环队列中的元素显示输出*/
printf("队列中元素：");
// DisplayQueue(Q);
/*将顺序循环队列中的队头元素出队列*/
i = 0;
while (!QueueEmpty(Q))
{
printf("队头元素第%d次出队\n", ++i);
DeQueue(&Q, &e);
printf("出队的元素：");
printf("%d\n",e);
//PrintData(e);
}
}
测试结果：
相比较上面的测试结果，小伙伴们有没有发现什么不同之处呢，我们main函数想把5个元素写入队列，实际上只写进去了4个，原因在与，我们预留了一个单元空间，用于判断队列空或者满的状态。
本次的介绍就到这里啦，下章介绍：环形队列在单片机中的应用，欢迎大家持续关注嵌入式实验基地，来这里还可以学习HAL库+cubemx的更多精彩内容哦！
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