循环队列原理及在单片机串口通讯的应用

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了循环队列原理及在单片机串口通讯的应用相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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!

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