C LANGUAGE TECHNOLOGY

【C言語】キューとは【FIFOキュー,優先度キュー,二項ヒープ,赤黒木】

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こういった悩みにお答えします.

本記事の信頼性

  • リアルタイムシステムの研究歴12年.
  • 東大教員の時に,英語でOSの授業.
  • 2012年9月~2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校コンピュータサイエンス学部2021年の世界大学学術ランキングで20位)で客員研究員として勤務.C言語でリアルタイムLinuxの研究開発
  • プログラミング歴15年以上,習得している言語: C/C++Solidity/Vyper,Java,Python,Ruby,HTML/CSS/JS/PHP,MATLAB,Assembler (x64,ARM).
  • 東大教員の時に,C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」,C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」GitHubにオープンソースとして公開

こういった私から学べます.

【C言語】キューとは

キューとは,データを先入れ先出し(First In First Out)で保持するデータ構造です.

キューにデータに入れることをエンキュー(enqueue),データをキューから取り出すことをデキュー(dequeue)と呼びます.

本記事では,C言語のキューを紹介していきます.

他のデータ構造を知りたいあなたはこちらからどうぞ.

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FIFOキュー

C言語のFIFOキューのコードは以下になります.

QUEUE_SIZE分のデータを格納できます.

実行結果は以下になります.

データをFIFOで操作していることがわかります.

優先度キュー

優先度キューは,キューのデータを優先度順で管理するキューです.

優先度キューは,リアルタイムOSやLinuxカーネルのスケジューラ等で利用されます.

リアルタイムOSの技術であるリアルタイムシステムやLinuxカーネルを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

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優先度キューのコードは以下になります.

データの数値が小さいほど高い優先度になり,最高優先度のデータは優先度キューの先頭に格納されます.

実行結果は以下になります.

二項ヒープ

二項ヒープは,優先度キューを実現するデータ構造の一つです.

二項ヒープの特徴は以下になります.

  • 二分ヒープとよく似たデータ構造であるが,二項ヒープは2つのヒープを素早くマージする操作をサポート
  • 特殊な木構造「二項木」を利用して実現
  • マージ可能な抽象データ型ヒープの実装

二項ヒープのコードは以下になります.

とても複雑なので,時間をかけて読みましょう.難しかったら読み飛ばしても構いません.

二項ヒープのコードで実装されている主な関数は以下になります.

  • enqueue_bheap_queue関数:二項ヒープにノードをエンキュー
  • dequeue_bheap_queue関数:二項ヒープからノードをデキュー
  • pick_next_value関数:二項ヒープから最高優先度ノードの値(struct value型)を取得
  • print_bheap関数:二項ヒープのノードを表示

実行結果は以下になります.

enqueue_bheap_queue関数でノードをエンキューしたり,dequeue_bheap_queue関数でノードをデキューしたりした場合に,二項ヒープの木構造がどのように変化するのかをprint_bheap関数で確認しています.

最高優先度ノードの値を取得したい場合は,pick_next_value関数を利用します.

ここで,pick_next_value関数では,ノードをデキューしないことに注意して下さい.

赤黒木

赤黒木は,平衡二分木の一種で,以下の性質を持ちます.

  • あるノードの右部分木に含まれるノードの値以下
  • あるノードの左部分木に含まれるノードの値以上

赤黒木の特徴は,探索,挿入,削除などの操作における最悪時間計算量が\(\mathcal{O}(\log n)\)と短いことです.

赤黒木は,Linuxカーネルのスケジューラ「Completely Fair Scheduler(CFS)」で利用されています.

赤黒木のコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

まとめ

C言語のキューを紹介しました.

具体的には,FIFOキュー,優先度キュー,二項ヒープ,赤黒木を解説しました.

特に,二項ヒープや赤黒木は実用的なキューなので,難しいですが理解しておきましょう!

他のキューとしてリングバッファ(リングキュー)が挙げられます.

C言語のリングバッファのコードを知りたいあなたはこちらからどうぞ.

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