背景
对于数据结构，其实学过C语言的都不陌生，无外乎就队列、栈、二叉树等等这些。但其实对于初学者最困惑的不是数据结构是怎么样的，而是数据结构有什么用？我自己也是工作好几年后才体验到数据结构的快乐。所以本系列文章重点从应用场景切入，让大家理解数据结构的好处。
简介
队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端进行删除操作，而在表的后端进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。队列有两种形态，顺序排列的线性队列，也有头尾闭环的环形队列，也称作循环队列。
- 线性队列（循环队列）
简单的理解，就像是排队做核酸，大家自觉排成一队或几队，这每一队就是一个队列，先来的人先做，后到的人后做。如下图，当前有数据Data1过来，则先进入队里，排在队头，再来个Data2时，则排在Data1后面，再来就Data3就排在Data2后面。
如果此时要让数据出队，则先让Data1出队，然后Data2和3往前移一个位置。
如果此时再来个Data4，则把Data4填到队尾即可。
- 环形队列（循环队列）
跟顺序队列唯一的区别，就是它首尾相接，就是相当于一队人排成一个环状，环形队列也因此得名。
当需要把Data1移出队时，可以获取出数据，然后修改队头的位置即可，不用去搬运其他成员的数据，甚至出队的数据都不需要删除，等着后面新数据将其覆盖即可。这就是循环队列的好处。
但实际在内存中，不可能真的存在一个环形的缓存（起码现在没有）。在内存里，环形队列跟顺序队列完全一样，只是其队头跟队尾根据出队入队在不断地变化。
应用场景
就如前面所说，队列有个特点是可以缓冲，那这里可以想到什么呢？对了，就是小学做的那个数学题，一边进水xx升/小时，另一边排水xx升/小时，中间的那个水箱就是个队列。。。。不举这种浪费水的例子，咱们换一个，其实最常用的地方，就是在有事件请求跟事件消耗中，并且请求跟消耗是异步进行的场景。
举个实际例子，现在有一个触摸屏，用户点击下屏幕，显示屏会有对应的动作，点一次动一次，并且动作跟点击顺序有关系，先点的先动作。那按这样的设计思路，最简单的写法如下：
void Check(void)
{
/* 检测的相关处理 */
}
void Operation(void)
{
/* 触发的相关执行动作 */
}
int main(void)
{
/* 检测触摸位置 */
Check();
/* 执行对应的动作 */
Operation();
return 0;
}
但上面的实现有什么问题？如果这时候执行的动作很多，占用时间很多，比如整个屏刷新需要1s（夸张点的说法哈），那上面这种写法就会导致我按键只能1s按一次，按快了没反应。那这里我们先引入实时操作系统的概念——时间片，把需要执行的动作切分成很多个时间片，比如整屏刷新原本需要1s，那就把它分成100份10ms的时间片，触摸检测也一样，然后在整屏每刷新10ms的时候，就检测一次触摸情况。这样在用户的角度来看，基本就看不出来延时的时间，按键和屏的刷新变成几乎同步进行。
void Check(void)
{
while(1)
{
/* 检测触摸事件--10ms检测一次 */
os_delay(10);
}
}
void Operation(void)
{
while(1)
{
/* 刷屏--刷新一部分就延时让出一下，或者利用操作系统本身时间片特性让出也行。 */
os_delay(1);
}
}
int main(void)
{
/* 创建触摸检测和刷屏两个任务--伪代码，重在理解 */
task_create(Check);
task_create(Operation);
return 0;
}
但这上面的实现还是有问题，虽然同一个屏，刷新的速度是一样的，但是不同的人，操作的速度是不一样的，老年人可能几秒钟才能操作一下，但单身20年的小伙可能1秒可以操作20下。因为屏刷新只能1s刷一下，那精神小伙操作的那20下，可能就只有最后一下可以显示出来。这时候小伙就不高兴了，为什么我一顿操作猛如虎，这屏就给这么点反应，要求点多少下刷新多少次。那么这时候我们的主角终于可以登场了，分析下这个场景，触摸检测到1s操作了20次，而屏只能1s刷新一次，典型的事件请求>事件消耗，并且这个事件请求是有间断性的，也就是小伙并不是一直按1秒操作20下的速度来操作的，只是这么操作了一次。那这里我们就引入队列，把小伙的操作都给存起来。
- 顺序队列
/*******************队列的相关操作********************/
/* 预留的缓存大小 */
#define QUEUE_MAX 30
struct tagQueueCB
{
uint8_t Buff[QUEUE_MAX];
uint32_t Tail;
};
struct tagQueueCB QueueCB;
/* 入队操作 */
uint8_t Queue_Push(uint8_t data)
{
uint8_t rtn = 0;
if (QueueCB.Tail < QUEUE_MAX)
{
QueueCB.Buff[QueueCB.Tail++] = data;
rtn = 1;
}
else
{
/* 队列满，返回失败 */
rtn = 0;
}
return rtn;
}
/* 出队操作 */
uint8_t Queue_Poll(uint8_t *data)
{
uint8_t rtn = 0;
if (QueueCB.Tail)
{
*data = QueueCB.Buff[0];
QueueCB.Tail--;
for (uint32_t i = 0; i < QueueCB.Tail; i++)
{
QueueCB.Buff[i] = QueueCB.Buff[i + 1];
}
rtn = 1;
}
else
{
/* 队列空时返回失败 */
rtn = 0;
}
return rtn;
}
/***************************************************/
void Check(void)
{
uint8_t data = 0;
while(1)
{
/* 检测事件 */
/* 有触摸事件，入一次队 */
if (0 == Queue_Push(data))
{
/* 异常处理 */
}
/* 检测触摸事件--10ms检测一次 */
os_delay(10);
}
}
void Operation(void)
{
uint8_t data = 0;
while(1)
{
/* 检测队列，非空则出队，并刷整屏 */
if (0 == Queue_Poll(&data))
{
/* 异常处理 */
}
/* 执行刷屏 */
/* 刷屏--刷新一部分就延时让出一下，或者利用操作系统本身时间片特性让出也行。 */
os_delay(1);
}
}
int main(void)
{
/* 创建触摸检测和刷屏两个任务--伪代码，重在理解 */
task_create(Check);
task_create(Operation);
return 0;
}
这样就解决了小伙的手速问题。当然如果过两年小伙手速又提升了，那这30的缓存可能也扛不住。这上面实现的就是最普通的顺序队列，使用数组存储数据，并提供出队、入队的操作。然而细心的小伙伴可能已经发现了，这出队操作效率也太低了吧，把队头数据移出后，后续所有数据都得往前移，而且现在是多线程，如果在入队的过程中，执行了出队，数据就会错乱（重入）。那么这里我们就提供第二种队列的实现方式——循环队列。
- 循环队列
/*******************队列的相关操作********************/
/* 预留的缓存大小 */
#define QUEUE_MAX 30
struct tagQueueCB
{
uint8_t Buff[QUEUE_MAX];
uint32_t Head; /* 队头位置 */
uint32_t Tail; /* 队尾位置 */
uint32_t Num; /* 队列元素个数 */
};
struct tagQueueCB QueueCB;
/* 入队操作 */
uint8_t Queue_Push(uint8_t data)
{
uint8_t rtn = 0;
if (QueueCB.Num < QUEUE_MAX)
{
QueueCB.Buff[QueueCB.Tail] = data;
QueueCB.Tail = (QueueCB.Tail + 1) % QUEUE_MAX;
/* 数量记得放最后修改，不然还是会有重入问题 */
QueueCB.Num++;
rtn = 1;
}
else
{
/* 队列满，返回失败 */
rtn = 0;
}
return rtn;
}
/* 出队操作 */
uint8_t Queue_Poll(uint8_t *data)
{
uint8_t rtn = 0;
if (QueueCB.Num)
{
*data = QueueCB.Buff[QueueCB.Head];
QueueCB.Head = (QueueCB.Head + 1) % QUEUE_MAX;
/* 数量记得放最后修改，不然还是会有重入问题 */
QueueCB.Num--;
rtn = 1;
}
else
{
/* 队列空时返回失败 */
rtn = 0;
}
return rtn;
}
/***************************************************/
void Check(void)
{
uint8_t data = 0;
while(1)
{
/* 检测事件 */
/* 有触摸事件，入一次队 */
if (0 == Queue_Push(data))
{
/* 异常处理 */
}
/* 检测触摸事件--10ms检测一次 */
os_delay(10);
}
}
void Operation(void)
{
uint8_t data = 0;
while(1)
{
/* 检测队列，非空则出队，并刷整屏 */
if (0 == Queue_Poll(&data))
{
/* 异常处理 */
}
/* 执行刷屏 */
/* 刷屏--刷新一部分就延时让出一下，或者利用操作系统本身时间片特性让出也行。 */
os_delay(1);
}
}
int main(void)
{
/* 创建触摸检测和刷屏两个任务--伪代码，重在理解 */
task_create(Check);
task_create(Operation);
return 0;
}
除了上面这种应用，还有像通信协议，也会用到队列，一般叫通信缓存。另外还有像实时操作系统里的邮箱，其实就是一个事件队列。
还有一种应用，是用在日志存储，存储的结构其实就是一个循环队列，但跟通信缓存有一点不同的是，通信缓存一般是不允许入队入满的，如果队满了，一般的做法也是把要入队的信息舍弃掉。但日志存储则是需要把最开始的数据覆盖掉，以此来保持记录最近的记录。
总结
- 常见队列有两种，顺序队列和循环队列。
- 一般用在需要数据缓存的地方，比如通信驱动与应用处理的衔接，日志存储服务与应用的衔接等等。
- 对于队列的操作，要多注意重入的问题，毕竟这种数据结构就是在多方共用内存的情况下使用的。
相关知识
栈、链表、树、图、散列表