C++數據結構之隊列queue

• 什么是隊列

• 隊列的基本特征

• 隊列是如何工作的

• 隊列的實現

• 隊列的應用

什么是隊列

與棧相反，隊列是一種先進先出（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尾，允許刪除 的一端叫隊頭。比較典型的例子有日常生活中的排隊：銀行排序辦理業務、地鐵排隊上車（emmmm，這里假設所有人都遵守秩序）等，當然還有計算機系統的消息隊列，操作系統的作業調度（這兩者都可以看做是隊列，不過是隊列的高級應用：優先級隊列）等

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隊列的基本特征

- 先進先出(FIFO) - 限制插入和刪除：隊尾（back）插入，隊頭（front）刪除

隊列是如何工作的

如下圖所示：

front代表隊頭，back代表隊尾，初始狀態，front與back指向同一位置，當插入一個新元素a后，隊尾back向后移動一位，隊頭front不動，指向下一個位置，當在a的下一個位置插入元素b時，隊尾back繼續向后移動一位，直到滿隊列，此時back指向最后的位置。當刪除一個元素時，隊頭front向后移動一位，隊尾back不動。在這種隊列結構下，可以通過(front == back)來判斷隊列是否為空。

隊列的實現

隊列的實現主要有兩種方式：順序表和鏈表；隊列的操作主要有：取出隊頭元素(front())、 刪除隊頭元素(pop())、隊尾插入元素(push())、是否為空(Empty())、隊列元素數(size()) 、是否已滿(Full())

順序表實現隊列

順序表的實現較為簡單，直接使用數據存儲數據即可，而front和back代表數組的下標（索引）， 這樣做的缺點就是隊列的長度固定，同時由于每次刪除元素時，隊頭向后移動一位，當隊列中所有 元素被刪除時，此時front ==back，但是，此時繼續向隊列中插入元素時，就會出現數組越界的 情況。

如上所示，此時，front與back都以指向了最后位置，無法繼續在隊列中插入數，但是， front前面的空間仍舊是空的，沒有存儲內容，此時如果采用動態內存分配無疑會浪費內 存空間，因此，為了能夠充分利用已分配的數組空間，可以將數組想象為一個首尾相 接的環，循環存儲數據，稱之為循環隊列。

如上，將數組想象成環狀，初始時，front與back都指向起始位置，當有元素插入或者刪除時， 進行相應的移動，直到back的下一個位置為front時，隊列為滿。由于是環狀的，因此， front與back的代表的位置應該對隊列的長度取余后，才為數組的下標。同時，為了便于判斷 隊列為滿和隊列為空，在設置隊列長度時，應該為length+1，因為back始終指向隊尾元素的 下一個位置，所以，當隊列滿時，back應該指向隊列長度的下一個位置，從而，可以通過 (back+1)%(length+1) == front判斷隊列滿，通過back==front判斷隊列為空。

代碼實現

//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; //隊列指針};//代碼實現 #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_]; //比隊列長度多一個元素，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_; //由于是環狀所以對最大長度取余 }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_; }

鏈表實現隊列

用鏈表來實現隊列更符合隊列的特征，不需要進行循環，刪除隊頭元素直接釋放隊頭元素 空間即可，插入隊尾時，直接新增空間即可添加，同時隊尾指針指向隊尾元素，不再指向 下一節點，如下圖所示。

與鏈表不同的是，鏈表有頭結點，而隊列不需要頭結點，空隊列時，隊頭指針與隊尾指針 都指向NULL，同時此時判斷隊列滿也沒有什么意義。因而用鏈表實現隊列的功能有取頭 節點(Front())、刪除頭節點(Pop())、插入新元素(Push())、是否為空(Empty()) 、隊列中元素個數(size())

代碼實現

//頭文件定義 template <typename T> //節點 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實現 #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_; }

隊列的應用

• 編程練習之隊列篇：舞伴問題

• 編程練習之隊列篇：游程編碼問題

• 編程練習之隊列篇：楊輝三角問題

• 編程練習之隊列篇：優先級隊列

未完待續

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以上是我關于隊列的學習心得，如果有什么不對的地方，歡迎大家指出，一起交流討論

總結

以上是生活随笔為你收集整理的数据结构之队列queue的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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