C言語アルゴリズム-待ち行列



待ち行列(queue)データ構造について

待ち行列(キュー)とは、データを到着順に処理するためのデータ構造です。データの中で最初にキューに入ったものが最初に取り出される構造となります。キューにデータを挿入することを「Enqueue(エンキュー )」といい、キューからデータを取り出すことを「Dequeue(デキュー)」といいます。このような「最初に入った物から最初に出てくる」というデータの入出力方式は「First In First Out (FIFO)」と呼ばれます。


リングバッファ(循環バッファ)について

リングバッファとは、確保したメモリの範囲内を「環」であるように扱う方法です。配列を利用した場合には、配列を末尾と先頭が繋がった環状構造とみなして、配列末尾位置の次の要素アクセスには配列先頭を利用できるようにします。待ち行列(キュー)操作では、利用済みの配列要素の再利用方法として用いられます。


キューの動作例

enqueue 1 : queue [ 1 . . . . . .]
enqueue 2 : queue [ 1 2 . . . . .]
enqueue 3 : queue [ 1 2 3 . . . .]
enqueue 4 : queue [ 1 2 3 4 . . .]
dequeue   : queue [ . 2 3 4 . . .] -> data : 1
dequeue   : queue [ . . 3 4 . . .] -> data : 2
dequeue   : queue [ . . . 4 . . .] -> data : 3
enqueue 5 : queue [ . . . 4 5 . .]
enqueue 6 : queue [ . . . 4 5 6 .]
enqueue 7 : queue [ . . . 4 5 6 7]
enqueue 8 : queue [ 8 . . 4 5 6 7]
enqueue 9 : queue [ 8 9 . 4 5 6 7]
dequeue   : queue [ 8 9 . . 5 6 7] -> data : 4
dequeue   : queue [ 8 9 . . . 6 7] -> data : 5
dequeue   : queue [ 8 9 . . . . 7] -> data : 6

C言語によるキューデータ構造のサンプルプログラム

配列をリングバッファとして扱ったキューデータ構造の操作プログラムです。

#include <stdio.h>

#define QUEUE_SIZE 7

struct queue_data{
    int queue[QUEUE_SIZE];
    int head; /* キューの先頭位置 */
    int tail; /* キューの末尾位置 */
};
typedef struct queue_data queue_t;

/* キューの次の挿入位置を求める */
#define queue_next(n) (((n) + 1) % QUEUE_SIZE)

/*!
 * @brief         キューの初期化処理
 * @param[in/out] q キュー管理
 */
static void
queue_init(queue_t *q)
{
    q->head = 0;
    q->tail = 0;
}
 
/*!
 * @brief     キューが空であるか調べる。
 * @param[in] q     キュー管理
 * @return    空ならば1を返し、空でなければ0を返す。
 */
int
queue_isempty(queue_t q)
{
    return(q.head == q.tail);
}

/*!
 * @brief     キューにデータを挿入する
 * @param[in] q     キュー管理
 * @param[in] data  挿入するデータ
 * @return    0     success
 * @return    -1    failure
 */
int
queue_push(queue_t *q, int data)
{
    /* キューが満杯であるか確認する */
    if(queue_next(q->tail) == q->head) return(-1);

    /* キューの末尾にデータを挿入する */
    q->queue[q->tail] = data;

    /* キューの次回挿入位置を決定にする */
    q->tail = queue_next(q->tail);

    return(0);
}

/*!
 * @brief      キューからデータを取り出す
 * @param[in]  q     キュー管理
 * @param[out] data  データ
 * @return     0     success
 * @return     -1    failure
 */
int
queue_pop(queue_t *q, int *data)
{
    /* キューに取り出すデータが存在するか確認する */
    if(q->head == q->tail) return(-1);

    /* キューからデータを取得する */
    *data = q->queue[q->head];

    /* 次のデータ取得位置を決定する */
    q->head = queue_next(q->head);

    return(0);
}

/*!
 * @brief     配列要素位置が待ち行列範囲であるか確認する
 * @param[in] q   キュー管理
 * @param[in] id  配列の要素位置
 */
static int
is_use_range(queue_t *q, int id)
{
    if((id < q->tail) && (id >= q->head)) return(1);
    if((id > q->tail) && (id >= q->head) && (q->head > q->tail)) return(1);
    if((id < q->tail) && (id < q->head)  && (q->head > q->tail)) return(1);

    return(0);
}

/*!
 * @brief      キューの要素を一覧表示する
 * @param[in]  q     キュー管理
 */
static void
queue_print(queue_t *q)
{
    int cnt;

    printf("queue [");
    for(cnt = 0; cnt < QUEUE_SIZE; cnt++){
        if(is_use_range(q, cnt)){
            printf("%2d", q->queue[cnt]); 
        }else{
            printf("%2c", '.');
        }
    }
    printf("]\n");
}

int
main(void)
{
    queue_t q;
    int data = 0;
    int cnt;

    queue_init(&q);

    /* キューにデータを入力する */
    for(cnt = 1; cnt < 5; cnt++){
        printf("enqueue %d : ", cnt);
        if(queue_push(&q, cnt) != 0){
            printf("Queue is full.\n");
        }else{
            queue_print(&q);
        }
    }

    /* キューからデータを取得する */
    for(cnt = 1; cnt < 4; cnt++){
        if(queue_pop(&q, &data) != 0){
            printf("Queue is empty.\n");
        }else{
            printf("dequeue %d : ", data);
            queue_print(&q);
        }
    }

    /* キューにデータを入力する */
    for(cnt = 5; cnt < 10; cnt++){
        printf("enqueue %d : ", cnt);
        if(queue_push(&q, cnt) != 0){
            printf("Queue is full.\n");
        }else{
            queue_print(&q);
        }
    }

    /* キューからデータを取得する */
    for(cnt = 1; cnt < 4; cnt++){
        if(queue_pop(&q, &data) != 0){
            printf("Queue is empty.\n");
        }else{
            printf("dequeue %d : ", data);
            queue_print(&q);
        }
    }

    return(0);
}



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