排队有道:探秘数据结构中的队列,打开等待背后的奇妙世界

编程探索课程 2024-03-15 10:20:15
1、数据结构 队列简介

队列demo

队列数据结构是线性的。它遵循先进先出方法,即先进先出或后进后出。在队列中,由于 FIFO 方法,插入顺序与删除元素的顺序相同。当存在单个资源并且多个用户想要使用该资源时,通常使用队列。例如,在线程和 CPU 调度算法中。

数组实现的顺序队列

数据结构队列类似于现实生活中的队列。例如,排队等候购买电影票的人。

2、队列的表示形式

类似堆栈一样,队列也是一种抽象数据类型,但它遵循 FIFO 方法。在队列中,我们总是删除最近添加最少的元素。

队列在两端都是开放的,这与堆栈不同。因此,我们在队列中的两个不同端执行删除和插入操作。队列的两端分别是前端和后端。

Front 指向队列的索引,我们可以从中删除元素。Rear 指向队列的索引,我们从中插入元素。

可以按如下方式表示队列:

队列的表示

3、队列类型

队列数据结构有多种类型,先简单介绍一下线性队列:线性队列

线性队列是一个简单的队列,其中一端发生插入,另一端发生删除。在线性队列中,我们有时无法有效地利用内存。这是因为插入只能在后端进行。

线性队列的基本操作

队列执行的基本操作是:

enqueue():将元素插入队列。dequeue():从队列中删除元素。peek():打印/显示前面的元素而不删除它。isfull():检查队列是否已满。isempty():检查队列是否为空。

在给定的操作中,前两个操作是最重要的。其余三个用于在实施时提高前两个操作的效率。

enqueue() 操作

入队操作

void enQueue(int key) { if(Rear == SIZE-1){ print("Overflow"); return; } if(Front == -1){ Front = 0; Rear = 0; Queue[Rear] = key; } else{ Rear = Rear + 1; Queue[Rear] = key; }}

如上述代码所示,不难看出其时间复杂度为O(1)。

因此,在排队操作中,我们需要记住以下几个关键点:

在执行 enqueue() 操作时,我们检查了三种不同的情况。这些情况是:

当队列为空时当队列已满时其他情况

当队列已满时,后部将指向最后一个索引,即队列大小 – 1 个位置。在这种情况下,我们将返回溢出错误并退出程序。

当队列为空时,最初前部和后部都将指向无效索引,例如 -1。在这种情况下,当我们插入一个元素时,两者都将开始指向索引 0。

由于队列只有一个元素,因此在这种情况下,队列的前部和后部将是相同的。

如果队列既不空也不满,我们只需将后指针的值增加 1 并插入新元素即可。

dequeue() 操作

在执行 dequeue() 操作时,我们始终确保队列不是空的。如果队列已为空,则无需删除任何内容。在这种情况下,我们将返回下溢错误。如果队列不为空,我们将删除前节点并将前指针移动到下一个节点。

队列 出队操作

int deQueue(){ int temp; if(Front == -1) { printf("Underflow"); break; } if(Front == Rear) { temp = Queue[Front]; Front = -1; Rear = -1; return temp; } else { temp = Queue[Front]; Front = Front + 1; return temp; }}

使用数组实现队列时,dequeue() 操作的时间复杂度为 O(1)

在 dequeue() 操作的情况下:

如果队列为空,则 Front 将指向无效索引。在这种情况下,我们将返回下溢错误并退出程序。如果队列仅包含一个元素,则 Front 和 Rear 都将指向同一索引。在这种情况下,我们将删除该元素,并使前后指向任何无效索引。

isfull() 操作

每当 rear 指向 SIZE(即队列的最大大小)时,isfull() 操作就会返回 true。isfull() 操作是一个布尔运算,即它返回 true 或 false。

isfull() 操作的代码如下所示:

bool isfull() { if(Rear == SIZE-1) return true; else return false;}

isEmpty() 操作

仅当队列为空时,它才会返回 true。就像 isfull() 操作一样,它是一个布尔运算,因此它返回 true 或 false。

如果 Front 的值为 MIN 或指向无效索引,则队列为空。因此,此操作将返回 true。

bool isEmpty() { if(000Front < 0 || Front > Rear) return true; else return false;}

peek() 操作

此操作返回队列前面的数据元素的值,而不删除它。

int peek() { return Queue[Front];}线性队列的应用

队列主要用于按特定性能顺序对项目进行排序,或者当单个资源有多个用户时。

队列数据结构的主要应用包括:

异步数据传输

可以利用队列来异步传输数据。异步传输是指两个进程之间的数据传输速率不同。例如,队列用于管道、文件输入/输出、用于异步数据传输的套接字。

单个资源的多个用户

每当需要让进程等待单个共享资源时,我们都会将它们维护在队列中。例如,打印机、CPU 等是共享资源。

用作缓冲剂

队列可用作缓冲区,主要在需要时存储数据。例如,在 MP3 播放器的情况下,队列用作缓冲区。CD播放器等

中断处理

每当进程中断时,它就会被送回并在队列中等待。因此,队列有助于中断处理。

维护播放列表

队列有助于维护任何类型的列表。我们可以在队列的帮助下维护歌曲或其他媒体的播放列表。

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