c語言數據結構實現-數組隊列/環形隊列

一、背景需求

應用場景是一個生產者一個消費者，兩者平均處理速度是相當的，但是有生產峯值速度太快，消費者處理速度跟不上的情況；

這種場景若用單線程處理，則會出現消費速度慢導致拖慢生產者的速度；

若使用雙線程處理，一個生產線程一個消費線程，這個時候就能用到隊列/環形隊列了。

二、相關知識

隊列的數據結構其實非常簡單，實現方式主要爲動態的鏈式結構或者爲靜態的數組結構，本文介紹一種靜態的數組結構；

如上圖所示，入列時插入隊列尾，出列時由隊列頭彈出，用下標值進行位置標識。

約束是用戶數據必須是定長的數據，才能用靜態數組結構去標識。

三、實現

創建隊列，需要確定隊列大小以及每個用戶數據的長度

int bufqueue_create(bufqueue_t *phead, size_t nmemb, size_t item_size)
{
    int ix = 0;

    if ( !phead ) {
        return FAILURE;
    }

#define __ISPOWER(_num_) ((_num_ ^ (_num_ - 1)) == (((_num_ - 1) << 1) + 1))
    if ( !__ISPOWER(nmemb) ) {
        return FAILURE;
    }

    /* Refree queue */
    FREE_POINTER(phead->queue);

    phead->queue = (bufqueue_item *)calloc(nmemb, sizeof(bufqueue_item));
    if ( !phead->queue ) {
        return FAILURE;
    }

    for ( ix = 0; ix < nmemb; ix++ ) {
        phead->queue[ix].pitem = calloc(1, item_size);
        if ( !phead->queue[ix].pitem ) {
            return FAILURE;
        }
    }

    phead->item_size = item_size;
    phead->size = nmemb;
    phead->mask = nmemb - 1;
    phead->head = 0;
    phead->tail = 0;
    phead->used = 0;

    printf("Queue alloc success, size: %zd ( Bytes )\n",
            sizeof(bufqueue_t) + nmemb * item_size);

    return SUCCESS;
}

入列操作，分爲獲取隊列尾，返回數據的指針給生成者，生產者生產數據後，更新隊列尾操作

void* bufqueue_tail(bufqueue_t *phead)
{
    if ( SUCCESS == bufqueue_isfull(phead) ) {
        return NULL;
    }
    return (phead->queue[phead->tail].pitem);
}

int bufqueue_push(bufqueue_t *phead)
{
    phead->used++;
    phead->tail = (phead->tail + 1) & phead->mask;

    return SUCCESS;
}

出列，消費者調用該接口直接獲取到數據指針，注意外部並不需要釋放空間

void* bufqueue_pop(bufqueue_t *phead)
{
    void *pitem = NULL;

    if ( phead->tail == phead->head ) {
        return NULL;
    }

    pitem = phead->queue[phead->head].pitem;
    phead->head = (phead->head + 1) & phead->mask;
    phead->used--;

    return (pitem);
}

判定隊列是否爲空

int bufqueue_isempty(bufqueue_t *phead)
{
    if ( phead->tail == phead->head ) {
        return SUCCESS;
    }
    return FAILURE;
}

判斷隊列是否滿

int bufqueue_isfull(bufqueue_t *phead)
{
    if ( !phead ) {
        return FAILURE;
    }

    if ( phead->head == ((phead->tail + 1) & phead->mask) ) {
        /* Queue is full */
        return SUCCESS;
    }
    return FAILURE;
}

四、小結

使用數組隊列類似於犧牲空間換時間的方法，實現簡單。但要求用戶數據必須定長，並且會出現隊列滿的情況；

但是在索引方面，由於使用了下標法進行定位，可以快速地查找到下一個元素（head=(head + 1)&mask），這個時候也必須保證隊列大小爲2^N；

同時在一個生產者一個消費者的場景下，使用該隊列可以無需上鎖，節省鎖的開銷；