【数据结构】36_队列的概念及实现 （上）

队列的定义

• 队列是一种特殊的线性表

• 队列仅能在线性表的两端进行操作

  • 队头（Front）：取出数据元素的一端
  • 队尾（Rear）:插入数据元素的一端

队列的特性

• 先进先出 （First In First Out）

队列的操作

• 创建队列 (Queue())
• 销毁队列 (~Queue())
• 清空队列 (clear())
• 进队列 (add())
• 出队列 (remove())
• 获取队头元素 (front())
• 获取队列的长度 (length())

队列的实现

template <typename T>
class Queue : public Object
{
public:
    virtual void add(const T &e) = 0;
    virtual void remove() = 0;
    virtual T front() const = 0;
    virtual void clear() = 0;
    virtual int length() const = 0;
};

队列的顺序实现

StaticQueue

• 类模板

  • 使用原生数组作为队列的存储空间
  • 使用模板参数决定队列的最大容量

template <typename T, int N>
class StaticQueue : public Queue<T>
{
public:
    StaticQueue();  // 初始化成员变量
    int capacity() const;  
protected:
    T m_space[N];   // 队列存储空间，N为模板参数
    int m_front;    // 队头标识
    int m_rear;     // 队尾标识
    int m_length;   // 当前队列的长度
};

StaticQueue 实现要点 (循环计数法)

• 关键操作

  • 进队列:m_space[m_rear] = e; m_rear = (m_rear + 1) % N;
  • 出队列：m_front = (m_front + 1) % N;

• 队列的状态

  • 队空： (m_length == 0) && (m_front == m_rear)
  • 队满： (m_length == N) && (m_front == m_rear)

编程实验：基于顺序存储结构的队列

文件：Queue.h

#ifndef QUEUE_H
#define QUEUE_H

#include "Object.h"

namespace DTLib
{

template <typename T>
class Queue : public Object
{
public:
    virtual void add(const T &e) = 0;
    virtual void remove() = 0;
    virtual T front() const = 0;
    virtual void clear() = 0;
    virtual int length() const = 0;
};

}

#endif // QUEUE_H

文件：StaticQueue.h

#ifndef STATICQUEUE_H
#define STATICQUEUE_H

#include "Queue.h"
#include "Exception.h"

namespace DTLib
{

template <typename T, int N>
class StaticQueue : public Queue<T>
{
public:
    StaticQueue() = default;

    int capacity() const  // O(1)
    {
        return N;
    }

    void add(const T &e) override  // O(1)
    {
        if (m_length < N)
        {
            m_space[m_rear] = e;
            m_rear = (m_rear + 1) % N;
            ++m_length;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidParameterExcetion, "No space in current StaticQueue ...");
        }
    }

    void remove() override  // O(1)
    {
        if (m_length > 0)
        {
            m_front = (m_front + 1) % N;
            --m_length;
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidOpertionExcetion, "No element in current StaticQueue ...");
        }
    }

    T front() const override  // O(1)
    {
        if (m_length > 0)
        {
           return m_space[m_front];
        }
        else
        {
            THROW_EXCEPTION(InvalidOpertionExcetion, "No element in current StaticQueue ...");
        }
    }

    void clear() override  // O(1)
    {
        m_length = 0;
        m_front  = 0;
        m_rear   = 0;
    }

    int length() const override  // O(1)
    {
        return m_length;
    }

    ~StaticQueue()  // O(1)
    {
        clear();
    }

protected:
    T m_space[N];
    int m_front  = 0;
    int m_rear   = 0;
    int m_length = 0;
};

}

#endif // STATICQUEUE_H

文件： main.cpp

#include <iostream>
#include "StaticQueue.h"

using namespace std;
using namespace DTLib;


int main()
{
    StaticQueue<int, 5> queue;

    for (int i=0; i<5; ++i)
    {
        queue.add(i);
    }

    while (queue.length() > 0)
    {
        cout << queue.front() << endl;

        queue.remove();
    }

    return 0;
}

输出：

0
1
2
3
4

小结

• 队列是一种特殊的线性表，具有先进先出的特性
• 队列只允许在线性表的两端进行操作，一端进，一端出
• StaticQueue 使用原生数组作为内部存储空间
• StaticQueue 的最大容量由模板参数决定
• StaticQueue 采用循环计数法提高队列操作的效率

以上内容整理于狄泰软件学院系列课程，请大家保护原创！