8. 队列

队列(queue)是一种遵循先入先出规则的线性数据结构。顾名思义,队列模拟了排队现象,即新来的人不断加入队列的尾部,而位于队列头部的人逐个离开。

如下图所示,我们将队列的头部称为"队首",尾部称为"队尾",将把元素加入队尾的操作称为"入队",删除队首元素的操作称为"出队"。

8.1 队列常用操作

队列的常见操作如下表所示。需要注意的是,不同编程语言的方法名称可能会有所不同。我们在此采用与栈相同的方法命名。

我们可以直接使用编程语言中现成的队列类。

cpp 复制代码
/* 初始化队列 */
queue<int> queue;

/* 元素入队 */
queue.push(1);
queue.push(3);
queue.push(2);
queue.push(5);
queue.push(4);

/* 访问队首元素 */
int front = queue.front();

/* 元素出队 */
queue.pop();

/* 获取队列的长度 */
int size = queue.size();

/* 判断队列是否为空 */
bool empty = queue.empty();

8.2 队列实现

为了实现队列,我们需要一种数据结构,可以在一端添加元素,并在另一端删除元素。因此,链表和数组都可以用来实现队列。

1. 基于链表的实现

如图下图所示,我们可以将链表的"头节点"和"尾节点"分别视为"队首"和"队尾",规定队尾仅可添加节点,队首仅可删除节点。

以下是用链表实现队列的代码。

cpp 复制代码
/* 基于链表实现的队列 */
class LinkedListQueue {
  private:
    ListNode *front, *rear; // 头节点 front ,尾节点 rear
    int queSize;

  public:
    LinkedListQueue() {
        front = nullptr;
        rear = nullptr;
        queSize = 0;
    }

    ~LinkedListQueue() {
        // 遍历链表删除节点,释放内存
        freeMemoryLinkedList(front);
    }

    /* 获取队列的长度 */
    int size() {
        return queSize;
    }

    /* 判断队列是否为空 */
    bool isEmpty() {
        return queSize == 0;
    }

    /* 入队 */
    void push(int num) {
        // 尾节点后添加 num
        ListNode *node = new ListNode(num);
        // 如果队列为空,则令头、尾节点都指向该节点
        if (front == nullptr) {
            front = node;
            rear = node;
        }
        // 如果队列不为空,则将该节点添加到尾节点后
        else {
            rear->next = node;
            rear = node;
        }
        queSize++;
    }

    /* 出队 */
    void pop() {
        int num = peek();
        // 删除头节点
        ListNode *tmp = front;
        front = front->next;
        // 释放内存
        delete tmp;
        queSize--;
    }

    /* 访问队首元素 */
    int peek() {
        if (size() == 0)
            throw out_of_range("队列为空");
        return front->val;
    }

    /* 将链表转化为 Vector 并返回 */
    vector<int> toVector() {
        ListNode *node = front;
        vector<int> res(size());
        for (int i = 0; i < res.size(); i++) {
            res[i] = node->val;
            node = node->next;
        }
        return res;
    }
};

2. 基于数组的实现

由于数组删除首元素的时间复杂度为O(n),这会导致出队操作效率较低。然而,我们可以采用以下巧妙方法来避免这个问题。

我们可以使用一个变量 front 指向队首元素的索引,并维护一个变量 size 用于记录队列长度。定义 rear = front + size ,这个公式计算出的 rear 指向队尾元素之后的下一个位置。

基于此设计,数组中包含元素的有效区间为 [front, rear - 1],各种操作的实现方法如图 5-6 所示。

  • 入队操作:将输入元素赋值给 rear 索引处,并将 size 增加 1 。
  • 出队操作:只需将 front 增加 1 ,并将 size 减少 1 。

可以看到,入队和出队操作都只需进行一次操作,时间复杂度均为 O(1) 。

你可能会发现一个问题:在不断进行入队和出队的过程中,front 和 rear 都在向右移动,当它们到达数组尾部时就无法继续移动了。为解决此问题,我们可以将数组视为首尾相接的"环形数组"。

对于环形数组,我们需要让 front 或 rear 在越过数组尾部时,直接回到数组头部继续遍历。这种周期性规律可以通过"取余操作"来实现,代码如下所示。

cpp 复制代码
/* 基于环形数组实现的队列 */
class ArrayQueue {
  private:
    int *nums;       // 用于存储队列元素的数组
    int front;       // 队首指针,指向队首元素
    int queSize;     // 队列长度
    int queCapacity; // 队列容量

  public:
    ArrayQueue(int capacity) {
        // 初始化数组
        nums = new int[capacity];
        queCapacity = capacity;
        front = queSize = 0;
    }

    ~ArrayQueue() {
        delete[] nums;
    }

    /* 获取队列的容量 */
    int capacity() {
        return queCapacity;
    }

    /* 获取队列的长度 */
    int size() {
        return queSize;
    }

    /* 判断队列是否为空 */
    bool isEmpty() {
        return size() == 0;
    }

    /* 入队 */
    void push(int num) {
        if (queSize == queCapacity) {
            cout << "队列已满" << endl;
            return;
        }
        // 计算队尾指针,指向队尾索引 + 1
        // 通过取余操作,实现 rear 越过数组尾部后回到头部
        int rear = (front + queSize) % queCapacity;
        // 将 num 添加至队尾
        nums[rear] = num;
        queSize++;
    }

    /* 出队 */
    void pop() {
        int num = peek();
        // 队首指针向后移动一位,若越过尾部则返回到数组头部
        front = (front + 1) % queCapacity;
        queSize--;
    }

    /* 访问队首元素 */
    int peek() {
        if (isEmpty())
            throw out_of_range("队列为空");
        return nums[front];
    }

    /* 将数组转化为 Vector 并返回 */
    vector<int> toVector() {
        // 仅转换有效长度范围内的列表元素
        vector<int> arr(queSize);
        for (int i = 0, j = front; i < queSize; i++, j++) {
            arr[i] = nums[j % queCapacity];
        }
        return arr;
    }
};

以上实现的队列仍然具有局限性,即其长度不可变。然而,这个问题不难解决,我们可以将数组替换为动态数组,从而引入扩容机制。有兴趣的同学可以尝试自行实现。

两种实现的对比结论与栈一致,在此不再赘述。

8.3 队列典型应用

  • 淘宝订单。购物者下单后,订单将加入队列中,系统随后会根据顺序依次处理队列中的订单。在双十一期间,短时间内会产生海量订单,高并发成为工程师们需要重点攻克的问题。
  • 各类待办事项。任何需要实现"先来后到"功能的场景,例如打印机的任务队列、餐厅的出餐队列等。队列在这些场景中可以有效地维护处理顺序。
相关推荐
careathers9 小时前
【数据结构】从堆到 PriorityQueue:手写一个优先级队列
数据结构
y1su10 小时前
Leetcode 字符串模板
java·数据结构·算法·leetcode·职场和发展·动态规划
residual_fan11 小时前
船用柴油机动态机动工况故障诊断:控制感知仿射网络(CAAN)的技术实现
人工智能·算法·数据挖掘·数据分析
syagain_zsx11 小时前
BRpc 二次封装:Channel 管理、服务管理与回调工厂
c++·学习·程序人生·rpc·谷歌
其实防守也摸鱼11 小时前
Cylab在线靶场——CTF中的通用技能
linux·数据库·学习·算法·靶场·ctf·学习网络安全
蓝悦无人机12 小时前
《Planning algorithms》读书笔记——第8章 反馈运动规划
算法·读书笔记·反馈运动规划
RaaS10012 小时前
Agent Skills 进了 Linux Foundation:2.8 亿次安装,但装 skill 还没有安全规范
人工智能·算法·架构
CV爱数码12 小时前
CT 重建从零开始(五):ASTRA Toolbox 上手——几何、投影器与算法
图像处理·算法·计算机视觉·ct
TunerT_TQ12 小时前
超立方体Ramsey(openai/math 家族171)H11攻坚日志|D60–D69:Star分组重数、二幂坐标群、奇偶入射语义与Site‑Level候选计数形式化闭环
算法
fpcc12 小时前
计算机原理—如何高效的操作文件
c++·计算机原理