队列数据结构：原理、实现与应用剖析

闲谈

2023-09-06 22:58:58

队列：计算机科学中至关重要的先进先出 (FIFO) 数据结构

队列概述

想象一下超市中蜿蜒曲折的结账队伍，遵循着“先进先出”的规则：最早加入队伍的人最先结账。这种简单的排队概念转化为一种至关重要的数据结构，称为队列。

队列本质上是一种遵循 FIFO 原则（先进先出）的数据结构，这意味着最早进入队列的元素将最先离开。这类似于真实世界中的排队场景，确保有序和公平的处理流程。

队列的原理

队列通常由数组或链表实现。在数组实现中，元素按顺序存储在数组单元中，而队列头指针指向队列中的第一个元素，队列尾指针指向最后一个元素。

在链表实现中，元素存储在链表节点中，队列头指针指向链表的第一个节点，队列尾指针指向链表的最后一个节点。

队列的基本操作包括入队（将元素添加到队列尾部）、出队（从队列头部移除元素）、查看队列头元素以及检查队列是否为空或已满。

队列的实现

数组实现：

class Queue:
    def __init__(self, size):
        self.items = [None] * size
        self.head = 0
        self.tail = -1

    def enqueue(self, item):
        self.tail += 1
        self.items[self.tail] = item

    def dequeue(self):
        item = self.items[self.head]
        self.head += 1
        return item

链表实现：

class Queue:
    def __init__(self):
        self.head = None
        self.tail = None

    def enqueue(self, item):
        new_node = Node(item)
        if self.tail is None:
            self.head = new_node
        else:
            self.tail.next = new_node
        self.tail = new_node

    def dequeue(self):
        item = self.head.data
        self.head = self.head.next
        if self.head is None:
            self.tail = None
        return item

循环队列

循环队列是一种特殊的队列，允许循环利用队列空间，防止数组实现中可能出现的队满情况。在循环队列中，队列头尾指针可以指向同一位置，此时队列为空。

class CircularQueue:
    def __init__(self, size):
        self.items = [None] * size
        self.head = 0
        self.tail = 0

    def enqueue(self, item):
        self.items[self.tail] = item
        self.tail = (self.tail + 1) % size

    def dequeue(self):
        item = self.items[self.head]
        self.head = (self.head + 1) % size
        return item