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数据结构之队列入门队列例程队列例程分析

article 2024/9/21 18:55:55

队列入门详细介绍

队列是一种基础的数据结构，广泛用于各种编程问题。它遵循先进先出（FIFO，First In First Out）原则，即最早插入的元素最早被移除。

特性

先进先出: 元素按照插入顺序出队。
队列头: 读取或移除最早插入的元素。
队列尾: 添加新元素到队列的末端。
队列操作:
- enqueue（入队）：将元素添加到队列尾部。
- dequeue（出队）：从队列头部移除元素。
- front：访问队列头部元素但不移除。
- empty：检查队列是否为空。

实现方式

数组实现:
- 特点: 使用固定大小的数组来存储元素。
- 优点: 访问速度快，内存局部性好。
- 缺点: 队列容量固定，可能导致浪费或溢出。
- 循环队列: 为了提高空间利用率，可使用环形数组。

队列种类

普通队列:
- 特性: 仅支持一端入队，另一端出队。
- 用途: 基本的FIFO操作。
双端队列（Deque）:
- 特性: 支持在队列的两端进行插入和删除。
- 用途: 需要双端操作的应用场景，如双向任务调度。
优先队列:
- 特性: 元素按照优先级出队，而不是按照插入顺序。
- 用途: 实现任务调度系统，任务优先级处理。

应用场景

任务调度: 操作系统和应用程序中的任务调度使用队列来管理任务的执行顺序。
消息队列: 在异步系统中使用队列来保存和传递消息。
缓冲区管理: 在输入输出操作中，如网络数据传输或磁盘读写，使用队列作为缓冲区。
广度优先搜索: 图算法中的广度优先搜索（BFS）使用队列来追踪访问的节点。

下面是一个使用 C++ 标准库中的 std::queue 类实现的队列操作的详细示例。这个示例包括队列的创建、添加元素、删除元素和查看队列内容等步骤。

示例代码

#include <iostream>
#include <queue>

int main() {
    // 创建一个空队列
    std::queue<char> queue;

    // 操作步骤

    // 1. 添加元素到队列的尾部
    queue.push('A');
    queue.push('B');
    queue.push('C');

    // 2. 打印当前队列内容
    std::cout << "当前队列内容: ";
    std::queue<char> tempQueue = queue; // 使用临时队列打印内容
    while (!tempQueue.empty()) {
        std::cout << tempQueue.front() << " ";
        tempQueue.pop();
    }
    std::cout << std::endl;

    // 3. 从队列的头部移除元素
    char removedElement = queue.front();
    queue.pop();
    std::cout << "移除的元素: " << removedElement << std::endl;

    // 4. 打印移除后的队列内容
    std::cout << "移除后的队列内容: ";
    tempQueue = queue; // 使用临时队列打印内容
    while (!tempQueue.empty()) {
        std::cout << tempQueue.front() << " ";
        tempQueue.pop();
    }
    std::cout << std::endl;

    // 5. 再次添加元素到队列的尾部
    queue.push('D');
    queue.push('E');

    // 6. 打印最终队列内容
    std::cout << "最终队列内容: ";
    tempQueue = queue; // 使用临时队列打印内容
    while (!tempQueue.empty()) {
        std::cout << tempQueue.front() << " ";
        tempQueue.pop();
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

操作步骤

创建一个空队列：使用 std::queue<char> queue; 创建一个新的空队列。
添加元素：使用 push() 方法将元素 ‘A’, ‘B’, 和 ‘C’ 依次添加到队列的尾部。
打印当前队列内容：使用一个临时队列 tempQueue 复制原队列并逐个输出队列中的元素，然后使用 pop() 移除已打印的元素。
移除元素：使用 front() 方法获取队列头部的元素，并使用 pop() 方法移除该元素。
打印移除后的队列内容：再次使用临时队列 tempQueue 复制移除元素后的队列并逐个输出队列中的元素。
再次添加元素：使用 push() 方法将元素 ‘D’ 和 ‘E’ 依次添加到队列的尾部。
打印最终队列内容：使用临时队列 tempQueue 复制最终队列并逐个输出队列中的元素。

输出结果

当前队列内容: A B C 
移除的元素: A
移除后的队列内容: B C 
最终队列内容: B C D E

程序分析

队列创建：队列使用 std::queue<char> 来存储字符元素，队列是先进先出的（FIFO）数据结构。
元素添加：使用 push() 方法向队列尾部添加元素。
元素移除：使用 pop() 方法从队列头部移除元素。front() 方法用于访问队列头部的元素但不移除。
打印内容：由于队列的 pop() 方法会移除元素，为了打印内容，我们使用了一个临时队列 tempQueue 来保持原队列的内容不变。

通过这个示例，你可以了解到如何在 C++ 中使用 std::queue 进行基本的队列操作以及如何处理和查看队列中的数据。

对比其他数据结构

队列 vs 红黑树:
- 优点: 队列操作简单，适用于FIFO任务。红黑树支持高效的查找、插入和删除，但不适用于FIFO操作。
- 缺点: 队列缺乏排序和高效查找功能。红黑树实现复杂，对FIFO操作不适合。
队列 vs 链表:
- 优点: 链表自然实现队列，支持动态大小，入队和出队操作高效。
- 缺点: 链表的内存开销大于数组实现，且访问速度可能较慢。链表实现队列时，额外的内存和指针开销也需要考虑。