C++數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之隊(duì)列queue

• 什么是隊(duì)列

• 隊(duì)列的基本特征

• 隊(duì)列是如何工作的

• 隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)

• 隊(duì)列的應(yīng)用

什么是隊(duì)列

與棧相反，隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的線性表，只允許在表的一端插入，在另一端刪除。允許插入的一端叫隊(duì)尾，允許刪除 的一端叫隊(duì)頭。比較典型的例子有日常生活中的排隊(duì)：銀行排序辦理業(yè)務(wù)、地鐵排隊(duì)上車（emmmm，這里假設(shè)所有人都遵守秩序）等，當(dāng)然還有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的消息隊(duì)列，操作系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度（這兩者都可以看做是隊(duì)列，不過(guò)是隊(duì)列的高級(jí)應(yīng)用：優(yōu)先級(jí)隊(duì)列）等

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隊(duì)列的基本特征

- 先進(jìn)先出(FIFO) - 限制插入和刪除：隊(duì)尾（back）插入，隊(duì)頭（front）刪除

隊(duì)列是如何工作的

如下圖所示：

front代表隊(duì)頭，back代表隊(duì)尾，初始狀態(tài)，front與back指向同一位置，當(dāng)插入一個(gè)新元素a后，隊(duì)尾back向后移動(dòng)一位，隊(duì)頭front不動(dòng)，指向下一個(gè)位置，當(dāng)在a的下一個(gè)位置插入元素b時(shí)，隊(duì)尾back繼續(xù)向后移動(dòng)一位，直到滿隊(duì)列，此時(shí)back指向最后的位置。當(dāng)刪除一個(gè)元素時(shí)，隊(duì)頭front向后移動(dòng)一位，隊(duì)尾back不動(dòng)。在這種隊(duì)列結(jié)構(gòu)下，可以通過(guò)(front == back)來(lái)判斷隊(duì)列是否為空。

隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)

隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式：順序表和鏈表；隊(duì)列的操作主要有：取出隊(duì)頭元素(front())、 刪除隊(duì)頭元素(pop())、隊(duì)尾插入元素(push())、是否為空(Empty())、隊(duì)列元素?cái)?shù)(size()) 、是否已滿(Full())

順序表實(shí)現(xiàn)隊(duì)列

順序表的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，直接使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)即可，而front和back代表數(shù)組的下標(biāo)（索引）， 這樣做的缺點(diǎn)就是隊(duì)列的長(zhǎng)度固定，同時(shí)由于每次刪除元素時(shí)，隊(duì)頭向后移動(dòng)一位，當(dāng)隊(duì)列中所有 元素被刪除時(shí)，此時(shí)front ==back，但是，此時(shí)繼續(xù)向隊(duì)列中插入元素時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)組越界的 情況。

如上所示，此時(shí)，front與back都以指向了最后位置，無(wú)法繼續(xù)在隊(duì)列中插入數(shù)，但是， front前面的空間仍舊是空的，沒(méi)有存儲(chǔ)內(nèi)容，此時(shí)如果采用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配無(wú)疑會(huì)浪費(fèi)內(nèi) 存空間，因此，為了能夠充分利用已分配的數(shù)組空間，可以將數(shù)組想象為一個(gè)首尾相 接的環(huán)，循環(huán)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，稱之為循環(huán)隊(duì)列。

如上，將數(shù)組想象成環(huán)狀，初始時(shí)，front與back都指向起始位置，當(dāng)有元素插入或者刪除時(shí)， 進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，直到back的下一個(gè)位置為front時(shí)，隊(duì)列為滿。由于是環(huán)狀的，因此， front與back的代表的位置應(yīng)該對(duì)隊(duì)列的長(zhǎng)度取余后，才為數(shù)組的下標(biāo)。同時(shí)，為了便于判斷 隊(duì)列為滿和隊(duì)列為空，在設(shè)置隊(duì)列長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)該為length+1，因?yàn)?span id="ozvdkddzhkzd" class="hljs-keyword">back始終指向隊(duì)尾元素的 下一個(gè)位置，所以，當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，back應(yīng)該指向隊(duì)列長(zhǎng)度的下一個(gè)位置，從而，可以通過(guò) (back+1)%(length+1) == front判斷隊(duì)列滿，通過(guò)back==front判斷隊(duì)列為空。

代碼實(shí)現(xiàn)

//頭文件定義 template <typename T> class Queue { public:Queue(int max_size);virtual ~Queue();T & Front() const;void Pop();void Push(T &element);bool Empty() const;int size() const;bool Full() const; private:int front_;int back_;int size_;int max_size_;T *contain; //隊(duì)列指針};//代碼實(shí)現(xiàn) #include "Queue.h" #include <iostream> #include <assert.h> ////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Construction/Destruction ////////////////////////////////////////////////////////////////////// template <typename T> Queue<T>::Queue(int max_size) {front_ = back_ = 0;size_ = 0;max_size_ = max_size + 1;contain = new T[max_size_]; //比隊(duì)列長(zhǎng)度多一個(gè)元素，用于輔助存放back_以及判斷滿 }template <typename T> Queue<T>::~Queue() {delete [] contain; }template <typename T> bool Queue<T>::Empty() const {return front_ == back_; //指向同一位置 }template <typename T> T & Queue<T>::Front() const {assert(!Empty()); //斷言不為空，為空則程序直接報(bào)出異常中止return contain[front_]; }template <typename T> bool Queue<T>::Full() const {return (back_ + 1) % max_size_ == front_; //由于是環(huán)狀所以對(duì)最大長(zhǎng)度取余 }template <typename T> void Queue<T>::Pop() {front_ = (front_ + 1) % max_size_;size_--; }template <typename T> void Queue<T>::Push(T &element) {assert(!Full());contain[back_] = element;back_ = (back_ + 1) % max_size_;size_++; }template <typename T> int Queue<T>::size() const {return size_; }

鏈表實(shí)現(xiàn)隊(duì)列

用鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)隊(duì)列更符合隊(duì)列的特征，不需要進(jìn)行循環(huán)，刪除隊(duì)頭元素直接釋放隊(duì)頭元素 空間即可，插入隊(duì)尾時(shí)，直接新增空間即可添加，同時(shí)隊(duì)尾指針指向隊(duì)尾元素，不再指向 下一節(jié)點(diǎn)，如下圖所示。

與鏈表不同的是，鏈表有頭結(jié)點(diǎn)，而隊(duì)列不需要頭結(jié)點(diǎn)，空隊(duì)列時(shí)，隊(duì)頭指針與隊(duì)尾指針 都指向NULL，同時(shí)此時(shí)判斷隊(duì)列滿也沒(méi)有什么意義。因而用鏈表實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的功能有取頭 節(jié)點(diǎn)(Front())、刪除頭節(jié)點(diǎn)(Pop())、插入新元素(Push())、是否為空(Empty()) 、隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)(size())

代碼實(shí)現(xiàn)

//頭文件定義 template <typename T> //節(jié)點(diǎn) struct ListNode{T data;ListNode<T> *link; }; //鏈表類 template <typename T> class ListQueue { public:ListQueue();virtual ~ListQueue();T & front() const;void Pop();void Push(T &element);bool Empty() const;int size() const; private:int size_;ListNode<T> *front_;ListNode<T> *back_; };//cpp實(shí)現(xiàn) #include "ListQueue.h" #include <iostream> #include <assert.h>////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Construction/Destruction ////////////////////////////////////////////////////////////////////// template <typename T> ListQueue<T>::ListQueue() {front_ = back_ = NULL;size_ = 0; }template <typename T> ListQueue<T>::~ListQueue() {while (!Empty()) {this->Pop();} }template <typename T> bool ListQueue<T>::Empty() const {return front_ == NULL; }template <typename T> T & ListQueue<T>::front() const{assert(!Empty());return front_->data; }template <typename T> void ListQueue<T>::Pop() {assert(!Empty());ListNode<T> *temp = front_;front_ = front_->link;delete temp;size_--; }template <typename T> void ListQueue<T>::Push(T &element) {ListNode<T> *new_node= new ListNode<T>;new_node->data = element;new_node->link = NULL;if (back_ == NULL) {front_ = back_ = new_node;} else {back_->link = new_node;back_ = back_->link;}size_++; }template <typename T> int ListQueue<T>::size() const {return size_; }

隊(duì)列的應(yīng)用

• 編程練習(xí)之隊(duì)列篇：舞伴問(wèn)題

• 編程練習(xí)之隊(duì)列篇：游程編碼問(wèn)題

• 編程練習(xí)之隊(duì)列篇：楊輝三角問(wèn)題

• 編程練習(xí)之隊(duì)列篇：優(yōu)先級(jí)隊(duì)列

未完待續(xù)

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以上是我關(guān)于隊(duì)列的學(xué)習(xí)心得，如果有什么不對(duì)的地方，歡迎大家指出，一起交流討論

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的数据结构之队列queue的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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