【408考点之数据结构】队列在操作系统中的任务调度和树的层次遍历

队列在操作系统中的任务调度

在操作系统中，任务调度是一个关键功能，队列常用于管理和调度任务，确保任务按照一定顺序执行。常见的调度算法包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、轮转调度（RR）等。队列在这些调度算法中的应用主要体现在任务的组织和调度上。

任务调度示例题目

题目1：假设有以下任务到达时间和执行时间，使用FCFS调度算法计算各任务的等待时间和周转时间。

任务A：到达时间0，执行时间4
任务B：到达时间1，执行时间3
任务C：到达时间2，执行时间2
任务D：到达时间3，执行时间1

解答：

按照到达时间顺序排队：A -> B -> C -> D
计算等待时间和周转时间：
- 任务A：等待时间0，周转时间4
- 任务B：等待时间3，周转时间6
- 任务C：等待时间5，周转时间7
- 任务D：等待时间6，周转时间7

题目2：使用RR调度算法（时间片为2）计算各任务的等待时间和周转时间。

任务A：到达时间0，执行时间4
任务B：到达时间1，执行时间3
任务C：到达时间2，执行时间2
任务D：到达时间3，执行时间1

解答：

按到达时间顺序排队并按照时间片调度：
- 时间0-2：任务A执行，剩余2
- 时间2-4：任务B执行，剩余1
- 时间4-6：任务C执行，完成
- 时间6-7：任务D执行，完成
- 时间7-8：任务A执行，完成
- 时间8-9：任务B执行，完成
计算等待时间和周转时间：
- 任务A：等待时间5，周转时间9
- 任务B：等待时间5，周转时间8
- 任务C：等待时间2，周转时间4
- 任务D：等待时间3，周转时间4

树的层次遍历

树的层次遍历（广度优先遍历）是一种按层次顺序遍历树中节点的算法，通常使用队列实现。遍历过程中，从根节点开始，依次访问每层的所有节点。

层次遍历示例题目

题目1：给定一棵二叉树，按层次遍历输出各节点的值。

解答：

初始化队列并将根节点入队。
重复以下步骤直到队列为空：
- 从队列中取出一个节点，访问其值并将其子节点入队。
遍历顺序：1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6 -> 7

代码示例：

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct TreeNode {
    int val;
    struct TreeNode *left, *right;
} TreeNode;

typedef struct QueueNode {
    TreeNode *treeNode;
    struct QueueNode *next;
} QueueNode;

typedef struct {
    QueueNode *front, *rear;
} Queue;

void initQueue(Queue *q) {
    q->front = q->rear = NULL;
}

int isEmpty(Queue *q) {
    return q->front == NULL;
}

void enqueue(Queue *q, TreeNode *node) {
    QueueNode *newNode = (QueueNode *)malloc(sizeof(QueueNode));
    newNode->treeNode = node;
    newNode->next = NULL;
    if (isEmpty(q)) {
        q->front = q->rear = newNode;
    } else {
        q->rear->next = newNode;
        q->rear = newNode;
    }
}

TreeNode *dequeue(Queue *q) {
    if (isEmpty(q)) return NULL;
    QueueNode *temp = q->front;
    q->front = q->front->next;
    if (q->front == NULL) {
        q->rear = NULL;
    }
    TreeNode *treeNode = temp->treeNode;
    free(temp);
    return treeNode;
}

void levelOrderTraversal(TreeNode *root) {
    if (root == NULL) return;
    Queue q;
    initQueue(&q);
    enqueue(&q, root);
    while (!isEmpty(&q)) {
        TreeNode *current = dequeue(&q);
        printf("%d ", current->val);
        if (current->left != NULL) enqueue(&q, current->left);
        if (current->right != NULL) enqueue(&q, current->right);
    }
}

int main() {
    TreeNode n1 = {1, NULL, NULL};
    TreeNode n2 = {2, NULL, NULL};
    TreeNode n3 = {3, NULL, NULL};
    TreeNode n4 = {4, NULL, NULL};
    TreeNode n5 = {5, NULL, NULL};
    TreeNode n6 = {6, NULL, NULL};
    TreeNode n7 = {7, NULL, NULL};

    n1.left = &n2;
    n1.right = &n3;
    n2.left = &n4;
    n2.right = &n5;
    n3.left = &n6;
    n3.right = &n7;

    levelOrderTraversal(&n1);
    return 0;
}

题目2：给定一棵二叉树，按层次遍历输出每层的节点值。

解答：

初始化队列并将根节点入队。
重复以下步骤直到队列为空：
- 获取当前队列的长度（表示当前层的节点数）。
- 遍历当前层的所有节点，依次出队并访问其值，同时将其子节点入队。
遍历顺序：
- 第一层：1
- 第二层：2 3
- 第三层：4 5 6
  队列在操作系统中的任务调度和树的层次遍历中都有重要应用。通过示例题目和解答，我们可以更好地理解队列在这些场景中的具体应用和实现方法。希望这些内容对你理解和应用队列有所帮助。