第五讲 队列(完成)
队列的实现及基本操作
队列的实现及基本操作
队列用来保存按先进先出的原则存储的一组有限的数据元素并先进先出的方式依次处理，在应用中可以用来实现批处理、消息传递等等功能。
队列的实现
队列主要有顺序队列和循环队列两种具体实现形式，由数组实现时，有两种不同的实现：
* 顺序队列：即简单的顺序存储，用一组地址连续的存储单元依次保存队列中的数据元素，使用两个指针分别指向队首和队尾，但由于元素可能入队列时顺序存储存在空间不足的情况，因此顺序队列一般仅作学习用途，不具有实用性。
* 循环队列：采用用一组地址连续的存储单元以循环方式依次保存队列中的数据元素，两个指针分别指向队首和队尾，在入队和出队操作时，队首指针出队和队尾指针入队时可以重新指向下一个元素的位置，可以有效的利用存储单元存储元素，能够重复使用。
1. 队列的基本操作
队列分入队（EnQueue）和出队（DeQueue）两种操作：
* 入队：将新元素入队，如果队列不存在空间则返回失败，成功则返回成功。
* 出队：删除队列中的元素，如果队列为空则返回失败，成功则返回成功并删除该元素。
队列的应用
* 操作系统中的队列：操作系统中的队列可以用于实现任务调度、存储设备号）等多种功能
* 消息中间件中的队列：消息中间件中采用队列实现实现生产者消费者模型，生产者将数据以消息的形式发布到队列中，消费者在队列中取出并处理数据
* 缓存队列：缓存队列可以用来实现可靠消息服务，当生产者将消息发布到缓存队列中，而消费者因某种原因没有消费，可以将这类未消费的消息存入缓冲队列中，等消费者完成处理后再从缓冲队列中取出数据并处理。
数据结构队列
数据结构队列队列（Queue）是一种线性数据结构，它按照“先进先出”的原则存储数据，类似于生活中排队等候的场景。
队列的特点是在一端添加数据，在另一端删除数据，数据的添加和删除操作的位置是固定的。
队列可以视为一个有限长度的数组，它有两个指针：一个指向队列的起始位置，称为队头（Front），另一个指向队列的结束位置，称为队尾（Rear）。
队列的关键操作有两个：入队（Enqueue）和出队（Dequeue），即向队列尾部添加元素和从队列头部删除元素。
队列的应用场景非常广泛，例如操作系统的进程调度、任务处理等。
下面将详细介绍队列的实现、应用以及常见的队列算法。
一、队列的实现队列可以通过数组和链表两种方式来实现。
1.使用数组实现队列使用数组实现队列的关键是确定起始位置和结束位置的指针。
通常可以使用两个变量front和rear来表示队头和队尾的下标。
入队操作时，首先判断队列是否已满（rear是否达到数组的尾部），如果已满则表示队列已满，否则将元素添加到rear的位置，并将rear指针后移一位。
出队操作时，首先判断队列是否为空（front是否等于rear），如果为空则表示队列为空，否则将front指针后移一位，并返回front指针对应的元素。
使用数组实现队列的缺点是队列的大小固定，一旦数组大小被占满，无法继续添加元素。
2.使用链表实现队列使用链表实现队列的核心是定义一个包含数据和指向下一个节点的指针的节点结构，通过调整指针的指向来实现入队和出队操作。
入队操作时，首先创建一个新的节点，将数据存储到节点中，然后将节点插入到链表的尾部。
出队操作时，将头节点删除，并返回头节点中的数据值。
链表实现队列的优点是队列的大小可以动态调整，没有固定的限制。
二、队列的应用1.操作系统中的进程调度：操作系统使用队列数据结构来管理系统中的进程，根据进程的优先级将其添加到合适的队列中，然后按照优先级依次从队列中获取进程执行。
3.阻塞队列：阻塞队列是一种特殊的队列，当队列为空时，获取线程会被阻塞，直到队列中有数据；当队列已满时，插入线程会被阻塞，直到队列有空余位置。
数据结构Chap5 queue
数据结构Chap5 queue在计算机科学中，数据结构是组织和存储数据的方式，以便能够有效地进行操作和访问。
而队列（queue）作为一种常见的数据结构，在许多程序和算法中都发挥着重要的作用。
想象一下，在生活中我们去银行办理业务，人们会排成一列队伍，先到的先办理，后来的依次排队等待。
队列的工作方式就类似于这样的排队场景。
队列遵循着“先进先出”（First In First Out，简称 FIFO）的原则。
这意味着，最先进入队列的元素将最先被取出。
就好像在银行排队中，最早到达的人会最先得到服务并离开队伍。
队列有两个主要的操作：入队（enqueue）和出队（dequeue）。
入队是将元素添加到队列的末尾，而出队则是从队列的前端移除元素。
为了实现一个队列，我们可以使用数组或者链表。
如果使用数组来实现队列，我们需要确定队列的前端和后端的位置。
通常，我们会用一个变量来记录前端的位置，用另一个变量来记录后端的位置。
当进行入队操作时，如果后端到达了数组的末尾，我们可能需要进行一些特殊的处理，比如将元素重新放置到数组的开头，以实现循环队列的效果。
链表实现队列则相对灵活一些。
每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。
入队时，我们在链表的末尾添加新节点；出队时，我们删除链表的头节点。
队列在计算机科学中有广泛的应用。
比如，操作系统中的任务调度常常使用队列来管理等待执行的任务。
新的任务被放入队列，而处理器会按照队列的顺序依次处理任务。
在网络通信中，数据包的传输也可能用到队列。
当网络拥塞时，数据包会被暂时存储在队列中，等待有可用的带宽时再进行传输。
在程序设计中，我们可以使用队列来实现广度优先搜索算法。
在这种算法中，我们从起始节点开始，依次将相邻的未访问节点放入队列，然后按照队列的顺序逐个访问这些节点。
再举个例子，打印队列也是队列的常见应用场景。
多个用户向打印机发送打印任务，这些任务会按照发送的顺序排队等待打印。
总之，队列是一种简单但非常实用的数据结构。
队列
例1： 一循环队列如下图所示，若先删除4个元素，接着再 插入4个元素，请问队头和队尾指针分别指向哪个位置? front front 1
2
J2
J3 J4 J5
front
J8
J9
front
0
J1
3
front
J7 J6 J5
rear
rear 解：由图可知，队头和队尾指针的初态分别为front=0 和rear=5。maxsize=6 删除4个元素后front=4；再插入4个元素后，r=(5+4)%6=3
16
链队列示意图
rear Q front p
a1 (队首) a2
a3 ^
(队尾)
讨论：
① 空队列的特征？ front=rear
front
rear
^
② 队列会满吗？一般不会，因为删除时有free动作。除非内存不足！ ③ 怎样实现入队和出队操作？ 入队（尾部插入）：rear->next=S; rear=S; 出队（头部删除）：front->next=p->next;
2
1. 定
义
只能在表的一端进行插入运算，在表的另 一端进行删除运算的线性表 （头删尾插）
与同线性表相同，仍为一对一关系。 顺序队或链队，以循环顺序队更常见。
2. 逻辑结构 3. 存储结构
4. 运算规则
只能在队首和队尾运算，且访问结点时依 照先进先出（FIFO）的原则。
5. 实现方式 关键是掌握入队和出队操作，具体实现依顺序
14
5
4
front
例2 ：数组Ｑ[n]用来表示一个循环队列，f 为当前队列头元
素的前一位置，r 为队尾元素的位置。假定队列中元素的个 数小于n，计算队列中元素的公式为: （Ａ） r－f （Ｂ）（n＋f－r）% n （Ｃ）n＋r－f （Ｄ） （n＋r－f）% n
火车过桥问题
第五讲火车过桥问题【导学】一：火车过桥问题火车过桥问题是行程问题的一种，除了包含路程、速度与时间之间的数量关系之外，同时还涉及车长、桥长等问题。
基本数量关系是：火车速度×时间＝车长＋桥长火车在行驶中，经常发生完全过桥、完全在桥、火车与人相遇、火车与人以及火车和火车之间的相遇、追及等这几种类型的题目，在分析题目的时候一定得结合着图来进行。
常用结论：1、火车和桥完全过桥时：路程＝桥长＋车长完全在桥时：路程＝桥长－车长2、火车和人①火车和人相遇：路程和＝车长②火车和人追及：路程差＝车长3、火车和火车①错车：错车相当于火车与火车相遇，路程和＝两车车长和②超车：超车相当于快车追及慢车，又分为齐头追车和齐尾追车。
【例题】1：一列客车经过南京长江大桥，大桥长6700米，这列客车长100米，每分钟行400米，这列客车经过长江大桥需要多少分钟？练习1：一列火车全长265米，每秒行驶25米，全车要通过一座985米长的大桥，问需要多少秒钟？练习2：一列火车长600米,它以每秒10米的速度穿过长200米的隧道,从车头进入隧道到车尾离开隧道共需多少时间?作业：1、一列火车长150米，每秒钟行19米，全车通过420米的大桥，需要多少时间？2、一列火车长200米,它以每秒10米的速度穿过200米长的隧道,从车头进入隧道到车尾离开隧道共需要多长时间？3、一列货车共50节，每节车身长30米，两节车间隔长1.5米，这列货车平均每分钟前进1000米，要穿过1426.5米的山洞，需要多少分钟？【例题】2：一列火车长160米，全车通过440米的桥需要30秒钟。
这列火车每秒行多少米？练习1：一列长50米的火车，穿过200米长的山洞用了25秒钟，这列火车每秒行多少米？【例题】3：一列长240米的火车以每秒30米的速度过一座桥，从车头上桥到车尾离桥用了1分钟，求这座桥长多少米？【例题】4：连续过两个隧道某列火车通过360米的第一个隧道用了24秒钟，接着通过第二个长216米的隧道用了16秒钟，这列火车的长度是多少米？练习1：某列火车通过342米的隧道用了23秒，接着通过234米的隧道用了17秒，这列火车的长度是多少米？练习2：一列货车全长240米，每秒行驶15米，全车连续通过一条隧道和一座桥，共用40秒钟，桥长150米，问这条隧道长多少米？练习3：一列火车通过一座长530米的桥需40秒钟，以同样的速度穿过380米的山洞需30秒钟，求这列火车的速度与车身的长度。
队列的实现原理与应用
队列的实现原理与应用一、队列的概念和基本操作队列（Queue）是一种先进先出（FIFO）的数据结构，它只允许在一端进行插入操作，在另一端进行删除操作。
队列的插入操作称为入队（enqueue），删除操作称为出队（dequeue）。
队列的基本操作包括： - 入队（enqueue）：将元素插入队列的末尾； - 出队（dequeue）：从队列的头部删除一个元素，并返回该元素； - 获取队列长度（size）：返回队列中元素的个数； - 获取队列头部元素（front）：返回队列头部的元素，但不删除该元素； - 判断队列是否为空（isEmpty）：如果队列中没有元素，返回True，否则返回False。
二、队列的实现方式队列可以使用多种数据结构来实现，常见的实现方式有数组和链表。
这里介绍两种常见的队列实现方式。
1. 数组实现队列数组实现队列需要两个指针，一个指向队列头部，一个指向队列尾部。
在入队时，将元素插入到队列末尾，并更新尾部指针；在出队时，从队列头部删除一个元素，并更新头部指针。
class ArrayQueue:def__init__(self):self.queue = []def enqueue(self, element):self.queue.append(element)def dequeue(self):if self.isEmpty():return Nonereturn self.queue.pop(0)def size(self):return len(self.queue)def front(self):if self.isEmpty():return Nonereturn self.queue[0]def isEmpty(self):return len(self.queue) ==02. 链表实现队列链表实现队列需要两个指针，一个指向队列头部，一个指向队列尾部。
在入队时，将元素插入到链表末尾，并更新尾部指针；在出队时，从队列头部删除一个元素，并更新头部指针。
第5课--队列及应用
2020/3/2
3
4. 队列的存储结构及实现 队列有两种存储表示方法:顺序存储和链式存储 队列的顺序存储结构简称顺序队列。 顺序队是用一维数组依次存放队列中的元素和分别指示 队列的首端和队列的尾端的两个变量组成。这两个变量分别称 为“队头指针”和“队尾指针”。
队列的链式存储结构简称为链式队列。它实际上是一个 同时带有首指针和尾指针的单链表。头指针指向表头结点，而 尾指针则指向队尾元素。
D) E 入队，将有 rear=0， front=0。
如果按以上方式存储， 队列满时有rear=front,将无法区分队列满和空。
解决方法：规定当队列中还有一个元素空间时不再使用（C）
则队列满的条件条件描述为：(rear+1)%Maxsize=front
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2．顺序队列的基本运算实现
D
3
3
2
2
C
2front
2
2
2
rear
1
1
B1
1
1
1
rear
0
A 0
A0
0
0
0
front
front
front
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
（a）表示空队列， rear=front=0。 （b）元素A入队后， rear=1，front=0。
（c）B，C依次入队后， rear=3，front=0。
//操作成功
}
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2．顺序队列的基本运算实现
//出队,成功返回ok，并由参数x返回队头元素
//失败返回error
Status OutQueue(SQueue *SQ,DataType*x) { if (sQ->front==sQ->rear)
队列教学大纲
队列教学大纲队列教学大纲一、引言队列是计算机科学中的一种重要数据结构，它具有先进先出（FIFO）的特性，被广泛应用于各种算法和程序设计中。
本文将探讨队列的基本概念、应用场景以及队列教学的重要性。
二、队列的基本概念1. 队列的定义：队列是一种线性数据结构，它只允许在一端进行插入操作（入队），在另一端进行删除操作（出队）。
2. 队列的特点：先进先出（FIFO）的原则，即先入队的元素先出队。
3. 队列的实现方式：可以使用数组或链表来实现队列。
4. 队列的基本操作：入队、出队、获取队头元素、判断队列是否为空等。
三、队列的应用场景1. 消息队列：在分布式系统中，消息队列常用于解耦和异步处理，实现高效的消息传递。
2. 任务调度：队列可以用于任务的排队和调度，保证任务按照一定的顺序执行。
3. 广度优先搜索：在图的遍历中，广度优先搜索常用队列来实现，保证按层级遍历。
4. 缓冲区：队列可以用于实现缓冲区，对输入和输出进行缓冲，提高系统的响应速度。
5. 操作系统调度：操作系统中的进程调度、磁盘调度等都可以使用队列进行管理。
四、队列教学的重要性1. 培养逻辑思维：队列的概念和操作涉及到先进先出的原则，培养学生的逻辑思维能力和抽象问题解决能力。
2. 提高编程能力：队列是程序设计中常用的数据结构，学习队列可以提高学生的编程能力和算法设计能力。
3. 培养团队合作精神：队列的应用场景常常涉及到多个元素的协同工作，学习队列可以培养学生的团队合作精神和沟通能力。
4. 培养问题解决能力：队列教学可以通过实际问题的解决来培养学生的问题解决能力和创新思维。
五、队列教学的内容安排1. 队列的基本概念和操作：包括队列的定义、特点、实现方式以及基本操作的介绍和实现。
2. 队列的应用场景：介绍队列在实际问题中的应用场景，如消息队列、任务调度等，并通过案例进行讲解。
3. 队列的算法设计：介绍队列相关的算法设计，如广度优先搜索等，并通过实例进行讲解和练习。
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将front称为队列的队头 front称为队列的队头 指针， 指针，且指向实际队头 元素的前一个位置； 元素的前一个位置；将 rear称为队列的队尾指 rear称为队列的队尾指 针，且指向实际队尾元 素。 顺序队列的基本信息
1 6
2 3
a、b、c、d依 次入队后
1
a
b c
2
a、b出队后
1 6
2
c d
6 5 2 3 6f
e d
5
初始状态
4 1 6 1
3 4 5
3 4
g
h
2 3
满状态时
1 6
f c e g 空状态时 h 2
e、f、g、h依 次入队后
全 出 队
5 1
g h i e
4 2 3
i入队
5
d
4
c出队
front
3 2 6 3 2 4 6
初始状态
关于队列的假溢出问题
观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（ 观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（N=6） ） ：（ 6 5 4 3 2 1 front rear 0 0 A入队 6 5 4 3 2 1 front rear A 0 0 1 B入队 6 5 4 3 2 1 front rear B A 0 1 2 A出队 6 5 4 3 2 1 front rear 0 1 1 2 B 6 C、D、E、 F依次入 5 队且B 队且B出 4 队 3 2 1 front rear 1 2 3
特殊在对操作的限定
主要是对与元素有关的操作的限定 读元素 GetHead( Q, &e ) 修改元素 PutHead ( &Q, e ) 插入元素 EnQueue( &Q, e ) 删除元素 DeQueue( &S,&e ) 允许插入操作的一端称为队尾 允许删除操作的一端称为队头 GetElem ( L, i , &e ) PutElem ( &L, i , e ) ListInsert( &L, i , e ) ListDelete( &L, i , &e ) GetElem ( L, 1 , &e ) PutElem ( &L, 1 , e ) ListInsert( &L, n+1 , e ) ListDelete( &L, 1 , &e ) 入 队 a1 a2 a3 …… an 出 队 队 头 队 尾
约定： 为队尾元素， 约定： an为队尾元素， a1为队头元素
用图示： 用图示： a1 或
a2
a3……Βιβλιοθήκη an-1an（ a1， a2 ，a3，……， an ） ，
队列是长度可变的线性结构
返回P2 返回P2
队列基本操作的定义
InitQueue（&Q） （ ）
构造一个空队列Q 构造一个空队列
结构初始化 结构销毁
1 2 6
front rear 6 6
这时，队列的初始状态就是： 这时，队列的初始状态就是：
3 5 4
入队和出队时， 且，入队和出队时，队头和队尾指针不再是 简单的加1，而是模6（ ） 简单的加 ，而是模 （N）加1
返回P14 返回P14
循环队列队空和队满的条件
观察在循环队列时入队和出队操作时的状态变化：（ 观察在循环队列时入队和出队操作时的状态变化：（N=6） ：（ ）
引用型 加工型 加工型 加工型
PutHead( &Q, e )
初始条件： 初始条件：栈S已存在且非空 已存在且非空 操作结果： 修改队列 修改队列Q的队头元素的值 操作结果：用e修改队列 的队头元素的值
EnQueue（ &Q，e） （ ， ）
初始条件：队列 已存在 初始条件：队列Q已存在 操作结果：插入元素e为队列 为队列Q的新的队尾元素 操作结果：插入元素 为队列 的新的队尾元素
DestroyQueue (&Q)
初始条件：队列 已存在 初始条件：队列Q已存在 操作结果：队列Q被销毁 操作结果：队列 被销毁
ClearQueue (&Q)
初始条件：队列 已存在 初始条件：队列Q已存在 加工型 操作结果：将队列Q 操作结果：将队列 清为空队列
QueueEmpty(Q)
初始条件：队列 已存在 初始条件：队列Q已存在 操作结果：若队列Q为空队列 则返回TRUE，否则返回 操作结果：若队列 为空队列 则返回 ，否则返回FALSE
C B
初始状态
关于队列的假溢出问题
观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（ 观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（N=6） ） ：（ 6 5 4 3 2 1 front rear 0 0 A入队 6 5 4 3 2 1 front rear A 0 0 1 B入队 6 5 4 3 2 1 front rear B A 0 1 2 A出队 6 5 4 3 2 1 front rear 0 1 1 2 B 6 C、D、E、 F依次入 5 队且B 队且B出 4 队 3 2 1 front rear 1 3 4
队列的操作被限定在表的两端进行
队列也被称为先进先出表
线性表有两个端点 a1 a2 a3 …… an 头 尾 对于队列而言， 对于队列而言，则 只能对头端和尾端 的元素进行操作 对元素可以做任 意位序的操作
返回P2 返回P2
队列的逻辑结构 用二元组表示： 用二元组表示：
L=（D，R） （ ， ） D={ai | ai ∈ElemSet，i=1，2，……n，n≥0} ， ， ， ， R={<ai-1，ai> | ai-1，ai ∈D，i= 2，……n} ， ，
6f 5
d
5
d
3
恋
rear
4
4
续循环队列队空和队满的条件
观察循环队列的变化得出： 观察循环队列的变化得出：
队满的条件是队头指针和队尾指针相同 队空的条件也是队头指针和队尾指针相同
因此，必须修改一个条件，以区分两种不同的状态： 因此，必须修改一个条件，以区分两种不同的状态：
保留队头指针和队尾指针相同作为队空的条件 牺牲一个单元，使队满的条件为： 牺牲一个单元，使队满的条件为：
D C B
初始状态
关于队列的假溢出问题
观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（ 观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（N=6） ） ：（ 6 5 4 3 2 1 front rear 0 0 A入队 6 5 4 3 2 1 front rear A 0 0 1 B入队 6 5 4 3 2 1 front rear B A 0 1 2 A出队 6 5 4 3 2 1 front rear 0 1 1 2 B 6 C、D、E、 F依次入 5 队且B 队且B出 4 队 3 2 1 front rear 1 4 5 E D C B
初始状态
关于队列的假溢出问题
观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（ 观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（N=6） ） ：（ 6 5 4 3 2 1 front rear 0 0 A入队 6 5 4 3 2 1 front rear A 0 0 1 B入队 6 5 4 3 2 1 front rear B A 0 1 2 A出队 6 5 4 3 2 1 front rear 0 1 1 2 B 6 C、D、E、 F依次入 5 队且B 队且B出 4 队 3 2 1 front rear 1 2 6 F E D C B
初始状态
关于队列的假溢出问题
观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（ 观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（N=6） ） ：（ 6 5 4 3 2 1 front rear 0 0 A入队 6 5 4 3 2 1 front rear A 0 0 1 B入队 6 5 4 3 2 1 front rear B A 0 1 2 A出队 6 5 4 3 2 1 front rear 0 1 1 2 B 6 C、D、E、 F依次入 5 队且B 队且B出 4 队 3 2 1 front rear 1 5 6 F E D C B
数据结构
刘晋萍
785297343@ 785297343@ QQ:785297343
第五讲 队列
队列的概念 队列的逻辑结构 队列基本操作的定义 队列的存储结构
顺序存储结构
循环队列
问题 观察
链式存储结构
队列基本操作的实现
基于顺序结构 基于链式结构
习题 习题
结束
队列的概念
队列是特殊的线性表
Q： 6 421 12 3 5 23 4 3 1 2 11
而这时实际还有一 个单元空间， 个单元空间，这就 是所谓牺牲一个单 元。
front rear
1 6
这时， 的尾指针模6加 等于 的头指针） 等于Q的头指针 这时，Q.rear%6+1=Q.front=1（Q的尾指针模 加1等于 的头指针） （ 的尾指针模
•队列 队列Q 队列
SqQueue Q
结 构 描 述
struct qsqstr { ElemType elem[N]; int front，rear; ， }; typedef struct qsqstr SqQueue;
•队头指针和队尾指针 队头指针和队尾指针
Q.front 和 Q.rear
•队头元素和队尾元素 队头元素和队尾元素
Q.elem[Q.front] 和 Q.elem[Q.rear-1]
关于队列的假溢出问题
观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（ 观察队列在入队和出队操作时的状态变化：（N=6） ） ：（ 6 5 4 3 2 1 front rear 0 0 A入队 6 5 4 3 2 1 front rear A 0 0 1 B入队 6 5 4 3 2 1 front rear B A 0 1 2 A出队 6 5 4 3 2 1 front rear B A 0 1 1 2 C、D、E、 F依次入 队且B 队且B出 队