《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件隊列》課件

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件-隊列隊列是一種抽象數(shù)據(jù)類型，它遵循先進先出(FIFO)原則。數(shù)據(jù)項按順序添加，并在相反的順序中檢索。by什么是隊列先進先出隊列遵循先進先出的原則，先進入隊列的元素會先被取出。線性結(jié)構(gòu)隊列是一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，元素按照特定的順序排列，就像一條有序的隊伍。隊列的特點先進先出隊列遵循先進先出(FIFO)的原則，先進入隊列的元素將最先被取出。線性結(jié)構(gòu)隊列是一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，元素之間按順序排列，每個元素都有一個前驅(qū)和后繼。單向訪問只能從隊列的尾部添加元素，從隊列的頭部刪除元素。應(yīng)用廣泛隊列在計算機科學(xué)中應(yīng)用廣泛，例如任務(wù)調(diào)度、緩沖區(qū)管理、打印任務(wù)管理等。隊列的基本操作1入隊將新元素添加到隊列的尾部。2出隊從隊列的頭部移除元素。3獲取隊首元素查看隊列中第一個元素。4判斷隊列是否為空檢查隊列是否包含任何元素。隊列的順序存儲實現(xiàn)1數(shù)組使用數(shù)組來存儲隊列元素2front指向隊頭元素3rear指向隊尾元素的下一個位置順序存儲實現(xiàn)是使用數(shù)組來存儲隊列元素的一種常見方法。隊列的大小在初始化時被固定，數(shù)組的索引對應(yīng)隊列元素的順序。順序隊列的入隊和出隊1入隊將新元素插入到隊尾，類似于在數(shù)組末尾添加一個新元素。2出隊刪除隊首元素，類似于從數(shù)組頭部刪除第一個元素。3操作步驟檢查隊列是否已滿。如果隊列未滿，將新元素插入到隊尾。如果隊列已滿，則無法入隊，需要進行處理。檢查隊列是否為空。如果隊列不為空，刪除隊首元素。如果隊列為空，則無法出隊，需要進行處理。順序隊列溢出和下溢溢出隊列已滿，無法添加新元素。下溢隊列為空，無法刪除元素。循環(huán)隊列的實現(xiàn)環(huán)形數(shù)組使用一個固定大小的數(shù)組，將數(shù)組的末尾連接到開頭，形成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)。前后指針使用兩個指針分別指向隊列的頭部和尾部，用于控制入隊和出隊操作。邊界處理需要特殊處理循環(huán)隊列的邊界條件，以避免數(shù)組越界?？臻g利用相比于順序隊列，循環(huán)隊列可以有效地利用數(shù)組空間，避免空間浪費。循環(huán)隊列的操作入隊操作在循環(huán)隊列中入隊時，需要先判斷隊列是否已滿。如果隊列已滿，則不能入隊。否則，將元素插入到隊尾，并將隊尾指針指向下一個位置。出隊操作在循環(huán)隊列中出隊時，需要先判斷隊列是否為空。如果隊列為空，則不能出隊。否則，將隊頭指針指向下一個位置，并將隊頭元素刪除。鏈?zhǔn)疥犃械膶崿F(xiàn)1節(jié)點結(jié)構(gòu)包含數(shù)據(jù)域和指向下一個節(jié)點的指針2隊列頭指針指向隊列的第一個節(jié)點3隊列尾指針指向隊列的最后一個節(jié)點4操作入隊、出隊、判空、判滿鏈?zhǔn)疥犃械膶崿F(xiàn)使用鏈表，每個節(jié)點包含數(shù)據(jù)域和指向下一個節(jié)點的指針。隊列頭指針指向隊列的第一個節(jié)點，隊列尾指針指向隊列的最后一個節(jié)點。鏈?zhǔn)疥犃械牟僮靼ㄈ腙牎⒊鲫?、判空、判滿。鏈?zhǔn)疥犃械牟僮魅腙犜阪準(zhǔn)疥犃械奈膊刻砑有鹿?jié)點，將新節(jié)點的地址存入尾節(jié)點的next指針。出隊刪除隊頭節(jié)點，并將隊頭指針指向下一個節(jié)點，釋放原隊頭節(jié)點的空間。獲取隊頭元素直接返回隊頭節(jié)點的值。獲取隊列長度遍歷整個鏈?zhǔn)疥犃校y(tǒng)計節(jié)點數(shù)量。隊列的應(yīng)用-任務(wù)調(diào)度任務(wù)排序隊列可以用于根據(jù)優(yōu)先級或到達時間對任務(wù)進行排序，確保重要任務(wù)先執(zhí)行。資源分配隊列可以管理有限的資源，例如CPU或內(nèi)存，分配給等待執(zhí)行的任務(wù)。任務(wù)監(jiān)控通過隊列，可以跟蹤任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，并及時處理異常情況。隊列的應(yīng)用-緩沖區(qū)數(shù)據(jù)緩存緩沖區(qū)用于暫時存儲數(shù)據(jù)，例如從磁盤讀取數(shù)據(jù)或向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。流媒體播放緩沖區(qū)允許流媒體播放器預(yù)先加載數(shù)據(jù)，確保流暢播放。程序性能優(yōu)化緩沖區(qū)可以減少對磁盤或網(wǎng)絡(luò)的頻繁訪問，提高程序性能。隊列的應(yīng)用-打印任務(wù)管理打印任務(wù)管理系統(tǒng)使用隊列來存儲和處理打印請求。每個打印請求都會被添加到隊列中，并按順序等待打印。隊列的先進先出(FIFO)特性確保了打印任務(wù)按照提交的順序執(zhí)行，防止打印請求相互混淆。隊列的應(yīng)用-銀行業(yè)務(wù)管理11.銀行排隊系統(tǒng)隊列可以模擬銀行排隊系統(tǒng)，客戶到達銀行后進入隊列，按順序等待服務(wù)。22.自動取款機自動取款機可以使用隊列存儲等待取款的客戶請求，以確保按順序處理。33.銀行柜臺管理銀行柜臺可以使用隊列來管理客戶的辦理業(yè)務(wù)流程，提高效率。44.銀行交易處理銀行的交易處理系統(tǒng)可以使用隊列來存儲交易請求，確保交易的順序執(zhí)行。隊列的優(yōu)點先進先出隊列遵循“先進先出”的原則，確保數(shù)據(jù)按順序處理，易于管理。易于實現(xiàn)隊列可以使用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如順序存儲或鏈?zhǔn)酱鎯?，實現(xiàn)簡單易懂。廣泛應(yīng)用隊列應(yīng)用廣泛，從操作系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)編程，都發(fā)揮著重要作用，解決多種實際問題。隊列的缺點有限容量隊列通常具有預(yù)定義的容量，一旦容量已滿，則無法添加更多元素。元素順序固定隊列遵循FIFO（先進先出）原則，無法直接訪問或修改隊列中的元素。特定用途隊列主要適用于處理特定任務(wù)，如任務(wù)調(diào)度和緩沖區(qū)管理。隊列與棧的區(qū)別棧后進先出(LIFO)，就像一疊書，最后放進去的書最先被取出來。隊列先進先出(FIFO)，就像排隊買票，最先排隊的人最先被服務(wù)。雙端隊列Deque定義雙端隊列（Deque）是一種允許從兩端進行插入和刪除操作的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。靈活與單端隊列相比，雙端隊列更加靈活，可以根據(jù)需要從頭部或尾部進行操作。棧和隊列雙端隊列可以模擬棧和隊列的功能，具有較高的通用性。Deque的基本操作入隊(Enqueue)在Deque的頭部或尾部添加元素。根據(jù)插入位置區(qū)分頭部入隊和尾部入隊。出隊(Dequeue)從Deque的頭部或尾部刪除元素。根據(jù)刪除位置區(qū)分頭部出隊和尾部出隊。訪問(Access)訪問Deque中的任意元素。根據(jù)訪問位置區(qū)分頭部訪問和尾部訪問。大小(Size)返回Deque中元素的數(shù)量。用于判斷Deque是否為空或已滿。Deque的應(yīng)用-撤銷重做撤銷操作雙端隊列可以實現(xiàn)撤銷操作，保存用戶的操作步驟，方便用戶撤回不必要的操作。重做操作當(dāng)用戶撤銷操作后，還可以使用重做操作，將撤銷的操作恢復(fù)回來。文本編輯器文本編輯器使用雙端隊列實現(xiàn)撤銷重做功能，讓用戶可以方便地修改和恢復(fù)文檔。圖形設(shè)計軟件圖形設(shè)計軟件也使用雙端隊列實現(xiàn)撤銷重做功能，讓用戶可以方便地修改和恢復(fù)圖形。Deque的應(yīng)用-滑動窗口滑動窗口是數(shù)據(jù)分析中常用的一種技術(shù)，用于在數(shù)據(jù)流中跟蹤一段固定長度的數(shù)據(jù)窗口，并進行實時分析。Deque的雙端插入和刪除特性，使其成為實現(xiàn)滑動窗口的理想選擇。它可以高效地添加新數(shù)據(jù)，并移除過期數(shù)據(jù)。優(yōu)先隊列的概念優(yōu)先級每個元素都有一個優(yōu)先級，優(yōu)先級高的元素先出隊。排序規(guī)則優(yōu)先隊列可以根據(jù)不同的規(guī)則進行排序，例如升序或降序。隊列特性優(yōu)先隊列遵循先進先出(FIFO)的原則，但優(yōu)先級高的元素會先出隊。優(yōu)先隊列的實現(xiàn)-堆堆的特點堆是一種特殊的二叉樹，滿足堆性質(zhì)：完全二叉樹，父節(jié)點值大于子節(jié)點值（大頂堆）或小于子節(jié)點值（小頂堆）。堆的實現(xiàn)使用數(shù)組存儲堆，根據(jù)節(jié)點索引可快速找到父節(jié)點和子節(jié)點，提高效率。堆的操作堆的操作包括插入、刪除、排序等，利用堆性質(zhì)來實現(xiàn)高效的增刪操作。堆的應(yīng)用堆在優(yōu)先隊列、排序算法、圖算法等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，如Dijkstra算法。優(yōu)先隊列的操作1插入將元素插入優(yōu)先隊列，按照優(yōu)先級排序。2刪除從優(yōu)先隊列中刪除優(yōu)先級最高的元素。3獲取獲取優(yōu)先級最高的元素，但不刪除它。4大小查詢優(yōu)先隊列中元素的數(shù)量。優(yōu)先隊列的應(yīng)用-任務(wù)調(diào)度任務(wù)調(diào)度優(yōu)先隊列用于管理任務(wù)調(diào)度，根據(jù)優(yōu)先級分配資源。動態(tài)分配優(yōu)先隊列可以根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級進行動態(tài)分配，確保重要的任務(wù)先執(zhí)行。資源優(yōu)化優(yōu)化系統(tǒng)資源分配，提高工作效率，減少延遲。優(yōu)先隊列的應(yīng)用-圖算法最短路徑算法Dijkstra算法，A*算法等。最小生成樹算法Prim算法，Kruskal算法等。拓?fù)渑判蛴糜诮鉀Q依賴關(guān)系的排序問題，例如任務(wù)調(diào)度。搜索優(yōu)先隊列可以優(yōu)化搜索算法，例如廣度優(yōu)先搜索(BFS)和深度優(yōu)先搜索(DFS)。課后總結(jié)隊列的基本概念理解隊列