Struktura danych kolejek i implementacja w językach Java, Python i C / C ++

W tym samouczku dowiesz się, czym jest kolejka. Znajdziesz również implementację kolejki w językach C, C ++, Java i Python.

Kolejka jest użyteczną strukturą danych w programowaniu. Podobnie jest z kolejką biletową przed salą kinową, gdzie pierwsza osoba wchodząca do kolejki jest pierwszą osobą, która otrzymuje bilet.

Kolejka jest zgodna z regułą First In First Out (FIFO) - pozycja, która trafia jako pierwsza, to ta, która wychodzi jako pierwsza.

Reprezentacja kolejki FIFO

Na powyższym obrazku, ponieważ 1 znajdował się w kolejce przed 2, jest również pierwszym, który zostanie usunięty z kolejki. Jest zgodny z zasadą FIFO .

W programowaniu warunki, umieszczanie elementów w kolejce nazywa enqueue i usuwanie elementów z kolejki nazywa rozkolejkowania .

Możemy zaimplementować kolejkę w dowolnym języku programowania, takim jak C, C ++, Java, Python lub C #, ale specyfikacja jest prawie taka sama.

Podstawowe operacje na kolejce

Kolejka to obiekt (abstrakcyjna struktura danych - ADT), który umożliwia następujące operacje:

  • Enqueue : Dodaj element na końcu kolejki
  • Rozkolejkowania : Usuwanie elementu z przodu kolejki
  • IsEmpty : Sprawdź, czy kolejka jest pusta
  • IsFull : Sprawdź, czy kolejka jest pełna
  • Peek : Uzyskaj wartość początku kolejki bez jej usuwania

Praca w kolejce

Operacje kolejki działają w następujący sposób:

  • dwie wskazówki PRZÓD i TYŁ
  • FRONT śledzi pierwszy element kolejki
  • REAR śledzi ostatni element kolejki
  • początkowo ustaw wartości FRONT i REAR na -1

Operacja wstawiania do kolejki

  • sprawdź, czy kolejka jest pełna
  • dla pierwszego elementu ustaw wartość FRONT na 0
  • zwiększyć indeks REAR o 1
  • dodaj nowy element w pozycji wskazywanej przez REAR

Operacja usuwania z kolejki

  • sprawdź, czy kolejka jest pusta
  • zwraca wartość wskazywaną przez FRONT
  • zwiększyć indeks FRONT o 1
  • dla ostatniego elementu zresetuj wartości FRONT i REAR na -1
Operacje wstawiania i usuwania z kolejki

Implementacje kolejki w językach Python, Java, C i C ++

Zwykle używamy tablic do implementacji kolejek w Javie i C / ++. W przypadku Pythona używamy list.

Python Java C C ++
 # Queue implementation in Python class Queue: def __init__(self): self.queue = () # Add an element def enqueue(self, item): self.queue.append(item) # Remove an element def dequeue(self): if len(self.queue) < 1: return None return self.queue.pop(0) # Display the queue def display(self): print(self.queue) def size(self): return len(self.queue) q = Queue() q.enqueue(1) q.enqueue(2) q.enqueue(3) q.enqueue(4) q.enqueue(5) q.display() q.dequeue() print("After removing an element") q.display() 
 // Queue implementation in Java public class Queue ( int SIZE = 5; int items() = new int(SIZE); int front, rear; Queue() ( front = -1; rear = -1; ) boolean isFull() ( if (front == 0 && rear == SIZE - 1) ( return true; ) return false; ) boolean isEmpty() ( if (front == -1) return true; else return false; ) void enQueue(int element) ( if (isFull()) ( System.out.println("Queue is full"); ) else ( if (front == -1) front = 0; rear++; items(rear) = element; System.out.println("Inserted " + element); ) ) int deQueue() ( int element; if (isEmpty()) ( System.out.println("Queue is empty"); return (-1); ) else ( element = items(front); if (front>= rear) ( front = -1; rear = -1; ) /* Q has only one element, so we reset the queue after deleting it. */ else ( front++; ) System.out.println("Deleted -> " + element); return (element); ) ) void display() ( /* Function to display elements of Queue */ int i; if (isEmpty()) ( System.out.println("Empty Queue"); ) else ( System.out.println("Front index-> " + front); System.out.println("Items -> "); for (i = front; i " + rear); ) ) public static void main(String() args) ( Queue q = new Queue(); // deQueue is not possible on empty queue q.deQueue(); // enQueue 5 elements q.enQueue(1); q.enQueue(2); q.enQueue(3); q.enQueue(4); q.enQueue(5); // 6th element can't be added to because the queue is full q.enQueue(6); q.display(); // deQueue removes element entered first i.e. 1 q.deQueue(); // Now we have just 4 elements q.display(); ) )
 // Queue implementation in C #include #define SIZE 5 void enQueue(int); void deQueue(); void display(); int items(SIZE), front = -1, rear = -1; int main() ( //deQueue is not possible on empty queue deQueue(); //enQueue 5 elements enQueue(1); enQueue(2); enQueue(3); enQueue(4); enQueue(5); // 6th element can't be added to because the queue is full enQueue(6); display(); //deQueue removes element entered first i.e. 1 deQueue(); //Now we have just 4 elements display(); return 0; ) void enQueue(int value) ( if (rear == SIZE - 1) printf("Queue is Full!!"); else ( if (front == -1) front = 0; rear++; items(rear) = value; printf("Inserted -> %d", value); ) ) void deQueue() ( if (front == -1) printf("Queue is Empty!!"); else ( printf("Deleted : %d", items(front)); front++; if (front> rear) front = rear = -1; ) ) // Function to print the queue void display() ( if (rear == -1) printf("Queue is Empty!!!"); else ( int i; printf("Queue elements are:"); for (i = front; i <= rear; i++) printf("%d ", items(i)); ) printf(""); )
 // Queue implementation in C++ #include #define SIZE 5 using namespace std; class Queue ( private: int items(SIZE), front, rear; public: Queue() ( front = -1; rear = -1; ) bool isFull() ( if (front == 0 && rear == SIZE - 1) ( return true; ) return false; ) bool isEmpty() ( if (front == -1) return true; else return false; ) void enQueue(int element) ( if (isFull()) ( cout << "Queue is full"; ) else ( if (front == -1) front = 0; rear++; items(rear) = element; cout << endl << "Inserted " << element << endl; ) ) int deQueue() ( int element; if (isEmpty()) ( cout << "Queue is empty" <= rear) ( front = -1; rear = -1; ) /* Q has only one element, so we reset the queue after deleting it. */ else ( front++; ) cout << endl < " << element << endl; return (element); ) ) void display() ( /* Function to display elements of Queue */ int i; if (isEmpty()) ( cout << endl << "Empty Queue" << endl; ) else ( cout << endl < " << front; cout << endl < "; for (i = front; i <= rear; i++) cout << items(i) << " "; cout << endl < " << rear << endl; ) ) ); int main() ( Queue q; //deQueue is not possible on empty queue q.deQueue(); //enQueue 5 elements q.enQueue(1); q.enQueue(2); q.enQueue(3); q.enQueue(4); q.enQueue(5); // 6th element can't be added to because the queue is full q.enQueue(6); q.display(); //deQueue removes element entered first i.e. 1 q.deQueue(); //Now we have just 4 elements q.display(); return 0; )

Ograniczenia kolejki

Jak widać na poniższym obrazku, po odrobinie kolejkowania i usuwania z kolejki rozmiar kolejki został zmniejszony.

Ograniczenie kolejki

A indeksy 0 i 1 możemy dodawać tylko wtedy, gdy kolejka jest resetowana (gdy wszystkie elementy zostały usunięte z kolejki).

Po dojściu REAR do ostatniego indeksu, jeśli możemy przechowywać dodatkowe elementy w pustych przestrzeniach (0 i 1), możemy wykorzystać puste miejsca. Jest to realizowane przez zmodyfikowaną kolejkę zwaną kolejką cykliczną.

Analiza złożoności

Złożoność operacji umieszczania w kolejce i usuwania z kolejki w kolejce przy użyciu tablicy wynosi O(1).

Zastosowania kolejki

  • Planowanie procesora, planowanie dysku
  • Gdy dane są przesyłane asynchronicznie między dwoma procesami, kolejka jest używana do synchronizacji. Na przykład: bufory IO, potoki, plik IO itp
  • Obsługa przerwań w systemach czasu rzeczywistego.
  • Systemy telefoniczne Call Center wykorzystują kolejki do utrzymywania osób dzwoniących w kolejności.

Zalecane lektury

  • Rodzaje kolejek
  • Okrągła kolejka
  • Struktura danych Deque
  • Kolejka priorytetowa

Interesujące artykuły...