循环队列原理及在单片机串口通讯的应用

Posted 2021-06-09 嵌入式实验基地

前言

当代码，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！

如果你觉得对自己有帮助的话，给个赞，点个关注，点个在看，感谢前进的道路上有你的陪伴！

所有公众号文章资料源码已上传，关注公众号回复资料即可获取哦，欢迎加群一起炸起来！