C++的数据结构(四）：队列

在数据结构中，队列（Queue）是一种特殊的线性表，只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作。队列中没有元素时，称为空队列。队列的数据元素又称为队列元素。在队列中插入一个队列元素称为入队，从队列中删除一个队列元素称为出队。因为队列只允许在一端插入，在另一端删除，所以又称为先进先出（FIFO---First In First Out）的线性表。

队列通常使用链表或数组来实现。在链表中，我们通常使用两个指针，一个指向队首，另一个指向队尾，以方便进行入队和出队操作。在数组中，我们通常维护两个变量，一个指向队首元素的位置，另一个指向队尾元素的后一个位置，即队列的下一个空位。

除了基本的队列外，还有一些特殊的队列类型，如循环队列和双端队列。

循环队列：为了避免队满时无法入队以及队空时无法出队的问题，我们可以使用循环队列。循环队列将数组的首尾相连，形成一个环，当队尾指针到达数组的末尾时，下一个位置就是数组的开始。
双端队列：双端队列允许在队列的两端进行入队和出队操作。这使得双端队列不仅具有队列的特性，还具有栈的特性。

入队与出队操作如下：

入队操作：在队列的尾部插入一个新元素。在循环队列中，如果队尾指针到达数组的末尾，则将其重置为数组的开始位置，然后插入新元素。
出队操作：从队列的头部删除一个元素。在循环队列中，如果队头指针到达数组的末尾，则将其重置为数组的开始位置，然后删除元素。

以下是一个使用数组实现的循环队列的C++代码示例，代码如下：

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

const int MAX_SIZE = 10; // 队列的最大容量

class CircularQueue {
private:
    int front; // 队首指针
    int rear; // 队尾指针
    int queue[MAX_SIZE]; // 队列数组

public:
    CircularQueue() {
        front = rear = -1; // 初始化队列为空
    }

    // 判断队列是否为空
    bool isEmpty() {
        return front == -1;
    }

    // 判断队列是否已满
    bool isFull() {
        return (rear + 1) % MAX_SIZE == front;
    }

    // 入队操作
    void enqueue(int value) {
        if (isFull()) {
            cout << "Queue is full. Cannot enqueue." << endl;
            return;
        }
        if (isEmpty()) {
            front = 0;
        }
        rear = (rear + 1) % MAX_SIZE;
        queue[rear] = value;
    }

    // 出队操作
    void dequeue() {
        if (isEmpty()) {
            cout << "Queue is empty. Cannot dequeue." << endl;
            return;
        }
        if (front == rear) { // 如果队列中只有一个元素
            front = rear = -1;
        } else {
            front = (front + 1) % MAX_SIZE;
        }
    }

    // 获取队首元素
    int peekFront() {
        if (isEmpty()) {
            cout << "Queue is empty." << endl;
            return -1;
        }
        return queue[front];
    }

    // 获取队尾元素
    int peekRear() {
        if (isEmpty()) {
            cout << "Queue is empty." << endl;
            return -1;
        }
        return queue[rear];
    }

    // 打印队列元素
    void printQueue() {
        if (isEmpty()) {
            cout << "Queue is empty." << endl;
            return;
        }
        cout << "Queue elements: ";
        int current = front;
        do {
            cout << queue[current] << " ";
            current = (current + 1) % MAX_SIZE;
        } while (current != front);
        cout << endl;
    }
};

int main() {
    CircularQueue q;

    // 入队操作
    q.enqueue(1);q.enqueue(2);
q.enqueue(3);
q.enqueue(4);
q.enqueue(5);

// 打印队列元素
q.printQueue(); // 应输出：Queue elements: 1 2 3 4 5 

// 出队操作
q.dequeue();
q.dequeue();

// 打印队列元素
q.printQueue(); // 应输出：Queue elements: 3 4 5 

// 获取队首元素
cout << "Front element: " << q.peekFront() << endl; // 应输出：Front element: 3

// 获取队尾元素
cout << "Rear element: " << q.peekRear() << endl; // 应输出：Rear element: 5

// 再次入队操作
q.enqueue(6);
q.enqueue(7);
q.enqueue(8);

// 打印队列元素
q.printQueue(); // 应输出：Queue elements: 3 4 5 6 7 8

return 0;
}

结果如下所示：

注意循环队列满的情况：由于我们在这里使用了一个固定大小的数组，并且队列大小已经达到了最大值，所以再试图入队会导致队列满。在实际应用中，可能需要一个动态大小的队列或者其他机制来处理队列满的情况。

本文详细介绍了C++中的队列概念，特别是先进先出（FIFO）的数据结构。队列有多种类型，包括循环队列和双端队列等。我们通过实现一个循环队列的示例，展示了队列的基本操作，如入队、出队、查看队首和队尾元素等。循环队列通过模运算实现了空间的循环使用，提高了队列的利用率。然而，循环队列的实现也有其局限性，如需要预先确定队列的最大容量，当队列满时可能无法继续入队等。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的队列实现方式。