數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列課件

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列課件演講人：日期：06隊列的應(yīng)用實例分析目錄01隊列基本概念與特性02隊列的順序存儲結(jié)構(gòu)03隊列的鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)04循環(huán)隊列及其實現(xiàn)05雙端隊列及其實現(xiàn)01隊列基本概念與特性隊列是一種特殊的線性表，只允許在表的前端（front）進(jìn)行刪除操作，而在表的后端（rear）進(jìn)行插入操作。隊列具有先進(jìn)先出的特性，因此常被用于需要按照一定順序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或事件調(diào)度的場合。隊列的定義隊列的作用隊列定義及作用入隊操作出隊操作獲取隊頭元素判空操作在隊列的隊尾插入一個元素。判斷隊列是否為空。在隊列的隊頭刪除一個元素。獲取隊列中第一個元素的值，但不刪除該元素。隊列的基本操作隊列是先進(jìn)先出（FIFO），棧是后進(jìn)先出（LIFO）。操作順序隊列只能訪問隊頭和隊尾的元素，棧只能訪問棧頂?shù)脑亍ＴL問方式隊列常用于需要按順序處理的場景，如任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)緩沖等；棧則常用于遞歸調(diào)用、表達(dá)式求值等場景。應(yīng)用場景隊列與棧的區(qū)別操作系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度、線程調(diào)度等場景，通過隊列實現(xiàn)任務(wù)的按順序執(zhí)行。任務(wù)調(diào)度實際應(yīng)用場景舉例在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中，使用隊列對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)緩沖在圖論算法中，使用隊列實現(xiàn)廣度優(yōu)先搜索（BFS），以逐層遍歷圖中的節(jié)點。廣度優(yōu)先搜索02隊列的順序存儲結(jié)構(gòu)隊列的順序存儲結(jié)構(gòu)，即使用一段地址連續(xù)的存儲單元依次存放隊列中的數(shù)據(jù)元素及其邏輯上的前后關(guān)系。順序隊列指示隊列頭元素在順序存儲結(jié)構(gòu)中的位置。隊頭指針front指示隊列尾元素在順序存儲結(jié)構(gòu)中的位置，并且rear+1為下一個入隊元素的位置。隊尾指針rear順序隊列的定義順序隊列的初始化與銷毀初始化設(shè)置隊頭指針front和隊尾指針rear的初值，同時規(guī)定隊列的最大長度。銷毀釋放隊列所占用的存儲空間，通常將隊頭指針front和隊尾指針rear置為0或其他特殊值。入隊與出隊操作實現(xiàn)出隊操作刪除隊頭元素，并更新隊頭指針front的值，front=front+1。如果front與rear相等，則隊列為空。入隊操作將新元素添加到隊尾，并更新隊尾指針rear的值，rear=rear+1。如果rear達(dá)到隊列的最大長度，則產(chǎn)生溢出。存儲結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，易于實現(xiàn)和理解。優(yōu)點存在空間浪費問題，隊列的最大長度固定，不能動態(tài)調(diào)整。當(dāng)隊列元素較多時，需要預(yù)先分配較大的存儲空間；而當(dāng)隊列元素較少時，會造成存儲空間的浪費。同時，入隊和出隊操作的時間復(fù)雜度較高，特別是當(dāng)隊列較大時，需要頻繁移動元素。缺點順序隊列的優(yōu)缺點分析03隊列的鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)疥犃惺且环N隊列的鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，由一系列節(jié)點組成，每個節(jié)點包含數(shù)據(jù)域和指向下一個節(jié)點的指針。在鏈?zhǔn)疥犃兄?，通常將第一個節(jié)點稱為頭節(jié)點，最后一個節(jié)點稱為尾節(jié)點，尾節(jié)點的指針指向空（NULL）。鏈?zhǔn)疥犃械母拍铈準(zhǔn)疥犃械男g(shù)語鏈?zhǔn)疥犃械亩x鏈?zhǔn)疥犃械某跏蓟c銷毀鏈?zhǔn)疥犃械某跏蓟跏蓟粋€空鏈?zhǔn)疥犃行枰獎?chuàng)建一個頭節(jié)點，并將其指針域置為空，表示隊列為空。鏈?zhǔn)疥犃械娜腙牪僮魅腙牪僮魃婕霸阪準(zhǔn)疥犃械奈膊刻砑右粋€新節(jié)點，并更新尾節(jié)點的指針指向新節(jié)點。鏈?zhǔn)疥犃械某鲫牪僮鞒鲫牪僮魃婕耙瞥準(zhǔn)疥犃械念^節(jié)點，并更新頭節(jié)點指針指向下一個節(jié)點。鏈?zhǔn)疥犃械匿N毀銷毀鏈?zhǔn)疥犃行枰饌€刪除節(jié)點并釋放內(nèi)存，最后將頭節(jié)點指針置為空。鏈?zhǔn)疥犃械膬?yōu)點鏈?zhǔn)疥犃芯哂袆討B(tài)分配內(nèi)存的能力，可以根據(jù)需要擴(kuò)展或縮小隊列規(guī)模，且不會出現(xiàn)隊列滿的情況。鏈?zhǔn)疥犃械娜秉c鏈?zhǔn)疥犃械墓?jié)點指針占用額外的內(nèi)存空間，且在進(jìn)行出隊操作時，需要更新指針，可能會導(dǎo)致效率較低。同時，鏈?zhǔn)疥犃械膶崿F(xiàn)相對復(fù)雜，需要處理指針的操作。鏈?zhǔn)疥犃械膬?yōu)缺點分析04循環(huán)隊列及其實現(xiàn)“假溢出”與循環(huán)隊列在普通的隊列中，會出現(xiàn)"假溢出"的情況，即隊列滿時仍有空閑空間；而循環(huán)隊列通過將向量空間首尾相接，解決了這一問題。循環(huán)隊列定義循環(huán)隊列是一種特殊的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其邏輯結(jié)構(gòu)為線性表，但物理存儲結(jié)構(gòu)為環(huán)形。循環(huán)隊列的實現(xiàn)方式通常使用數(shù)組來實現(xiàn)循環(huán)隊列，通過兩個指針（front和rear）來指示隊列的頭和尾，以實現(xiàn)循環(huán)。循環(huán)隊列的概念銷毀循環(huán)隊列的銷毀通常包括釋放動態(tài)分配的內(nèi)存空間，并將頭指針和尾指針設(shè)置為NULL或其他無效值。初始化循環(huán)隊列的初始化需要設(shè)置隊列的容量、頭指針（front）和尾指針（rear），并通常將它們設(shè)置為0或其他初始值。判空與判滿在循環(huán)隊列中，判空和判滿的條件有所不同。通常，當(dāng)“rear+1==front”時，隊列為空；當(dāng)“(rear+1)%capacity==front”時，隊列為滿。循環(huán)隊列的初始化與銷毀優(yōu)點循環(huán)隊列的主要優(yōu)點是它能充分利用向量空間，避免“假溢出”現(xiàn)象的發(fā)生；同時，其循環(huán)特性使得在某些算法中可以實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)存取。循環(huán)隊列的優(yōu)缺點及應(yīng)用場景缺點循環(huán)隊列的缺點在于其實現(xiàn)相對復(fù)雜，需要額外的判斷條件來處理隊列的滿和空的情況；此外，由于循環(huán)隊列的環(huán)形結(jié)構(gòu)，有時會出現(xiàn)數(shù)據(jù)“繞回”現(xiàn)象。應(yīng)用場景循環(huán)隊列廣泛應(yīng)用于需要高效利用空間和避免“假溢出”的場合，如操作系統(tǒng)中的緩沖區(qū)管理、網(wǎng)絡(luò)通信中的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)取?5雙端隊列及其實現(xiàn)雙端隊列是一種允許在兩端進(jìn)行入隊和出隊操作的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。雙端隊列（deque）的定義相比普通隊列，雙端隊列可以在兩端進(jìn)行高效的插入和刪除操作，具有更高的靈活性。雙端隊列的特點通常采用動態(tài)數(shù)組或鏈表實現(xiàn)，以適應(yīng)動態(tài)變化的需求。雙端隊列的存儲結(jié)構(gòu)雙端隊列的概念010203初始化操作創(chuàng)建一個空的雙端隊列，通常需要定義隊列的容量、隊頭和隊尾指針等屬性。銷毀操作釋放雙端隊列占用的內(nèi)存空間，避免內(nèi)存泄漏。隊列判空判斷雙端隊列是否為空，以便進(jìn)行出隊或讀取操作。雙端隊列的初始化與銷毀頭部入隊操作尾部入隊操作尾部出隊操作頭部出隊操作在雙端隊列的頭部插入元素，更新隊頭指針和隊列長度。從雙端隊列的頭部刪除元素，更新隊頭指針和隊列長度。在雙端隊列的尾部插入元素，更新隊尾指針和隊列長度。從雙端隊列的尾部刪除元素，更新隊尾指針和隊列長度。入隊與出隊操作實現(xiàn)（兩端）滑動窗口在流式數(shù)據(jù)中維護(hù)一個固定大小的滑動窗口，可以使用雙端隊列實現(xiàn)高效的插入和刪除操作。緩存淘汰算法在緩存系統(tǒng)中，根據(jù)一定的淘汰策略維護(hù)緩存的數(shù)據(jù)，雙端隊列可以實現(xiàn)LRU（最近最少使用）等緩存淘汰算法。區(qū)間操作在某些數(shù)據(jù)處理場景中，需要對一個數(shù)據(jù)區(qū)間進(jìn)行操作，可以使用雙端隊列來維護(hù)這個區(qū)間，便于進(jìn)行插入、刪除和查詢等操作。多任務(wù)調(diào)度在操作系統(tǒng)或多任務(wù)處理系統(tǒng)中，可以使用雙端隊列來管理任務(wù)隊列，實現(xiàn)任務(wù)的優(yōu)先級調(diào)度和搶占式調(diào)度。雙端隊列的應(yīng)用場景舉例06隊列的應(yīng)用實例分析操作系統(tǒng)通過隊列管理進(jìn)程，按照優(yōu)先級和時間順序為進(jìn)程分配CPU資源。進(jìn)程調(diào)度在設(shè)備驅(qū)動程序中，通過隊列管理設(shè)備的輸入輸出請求，確保設(shè)備高效、有序地工作。設(shè)備管理在網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)傳輸過程中，使用隊列作為緩沖區(qū)，暫存數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和穩(wěn)定性。緩沖區(qū)管理隊列在計算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用訪問控制在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中，使用隊列實現(xiàn)訪問控制，防止資源過度競爭和濫用，保證服務(wù)的公平性和可用性。流量控制通過隊列管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)流量控制和擁塞避免，確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。消息隊列在分布式系統(tǒng)中，使用消息隊列實現(xiàn)不同進(jìn)程之間的通信和數(shù)據(jù)交換，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性。隊列在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的應(yīng)用隊列在算法設(shè)計中的應(yīng)用01在圖的廣度優(yōu)先搜索算法中，使用隊列來存儲待訪問的節(jié)點，以實現(xiàn)逐層遍歷和最短路徑搜索。在緩存系統(tǒng)中，使用隊列實現(xiàn)緩存淘汰算法，如LRU（LeastRecentlyUsed）算法，根據(jù)數(shù)據(jù)的使用頻率和時間順序進(jìn)行淘汰。在一些排序算法中，如基數(shù)排序和桶排序，使用隊列來暫存和排序數(shù)據(jù)，以提高排序效率。0203廣度優(yōu)先搜索（