數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊(duì)列課件

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊(duì)列課件演講人：日期：06隊(duì)列的應(yīng)用實(shí)例分析目錄01隊(duì)列基本概念與特性02隊(duì)列的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)03隊(duì)列的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)04循環(huán)隊(duì)列及其實(shí)現(xiàn)05雙端隊(duì)列及其實(shí)現(xiàn)01隊(duì)列基本概念與特性隊(duì)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(duì)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(chǎng)合。隊(duì)列的定義隊(duì)列的作用隊(duì)列定義及作用入隊(duì)操作出隊(duì)操作獲取隊(duì)頭元素判空操作在隊(duì)列的隊(duì)尾插入一個(gè)元素。判斷隊(duì)列是否為空。在隊(duì)列的隊(duì)頭刪除一個(gè)元素。獲取隊(duì)列中第一個(gè)元素的值，但不刪除該元素。隊(duì)列的基本操作隊(duì)列是先進(jìn)先出（FIFO），棧是后進(jìn)先出（LIFO）。操作順序隊(duì)列只能訪問隊(duì)頭和隊(duì)尾的元素，棧只能訪問棧頂?shù)脑?。訪問方式隊(duì)列常用于需要按順序處理的場(chǎng)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(chǎng)景。應(yīng)用場(chǎng)景隊(duì)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(chǎng)景，通過隊(duì)列實(shí)現(xiàn)任務(wù)的按順序執(zhí)行。任務(wù)調(diào)度實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景舉例在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中，使用隊(duì)列對(duì)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(duì)列實(shí)現(xiàn)廣度優(yōu)先搜索（BFS），以逐層遍歷圖中的節(jié)點(diǎn)。廣度優(yōu)先搜索02隊(duì)列的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)隊(duì)列的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，即使用一段地址連續(xù)的存儲(chǔ)單元依次存放隊(duì)列中的數(shù)據(jù)元素及其邏輯上的前后關(guān)系。順序隊(duì)列指示隊(duì)列頭元素在順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的位置。隊(duì)頭指針front指示隊(duì)列尾元素在順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的位置，并且rear+1為下一個(gè)入隊(duì)元素的位置。隊(duì)尾指針rear順序隊(duì)列的定義順序隊(duì)列的初始化與銷毀初始化設(shè)置隊(duì)頭指針front和隊(duì)尾指針rear的初值，同時(shí)規(guī)定隊(duì)列的最大長(zhǎng)度。銷毀釋放隊(duì)列所占用的存儲(chǔ)空間，通常將隊(duì)頭指針front和隊(duì)尾指針rear置為0或其他特殊值。入隊(duì)與出隊(duì)操作實(shí)現(xiàn)出隊(duì)操作刪除隊(duì)頭元素，并更新隊(duì)頭指針front的值，front=front+1。如果front與rear相等，則隊(duì)列為空。入隊(duì)操作將新元素添加到隊(duì)尾，并更新隊(duì)尾指針rear的值，rear=rear+1。如果rear達(dá)到隊(duì)列的最大長(zhǎng)度，則產(chǎn)生溢出。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)和理解。優(yōu)點(diǎn)存在空間浪費(fèi)問題，隊(duì)列的最大長(zhǎng)度固定，不能動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)隊(duì)列元素較多時(shí)，需要預(yù)先分配較大的存儲(chǔ)空間；而當(dāng)隊(duì)列元素較少時(shí)，會(huì)造成存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。同時(shí)，入隊(duì)和出隊(duì)操作的時(shí)間復(fù)雜度較高，特別是當(dāng)隊(duì)列較大時(shí)，需要頻繁移動(dòng)元素。缺點(diǎn)順序隊(duì)列的優(yōu)缺點(diǎn)分析03隊(duì)列的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)疥?duì)列是一種隊(duì)列的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，由一系列節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)域和指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針。在鏈?zhǔn)疥?duì)列中，通常將第一個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為頭節(jié)點(diǎn)，最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為尾節(jié)點(diǎn)，尾節(jié)點(diǎn)的指針指向空（NULL）。鏈?zhǔn)疥?duì)列的概念鏈?zhǔn)疥?duì)列的術(shù)語鏈?zhǔn)疥?duì)列的定義鏈?zhǔn)疥?duì)列的初始化與銷毀鏈?zhǔn)疥?duì)列的初始化初始化一個(gè)空鏈?zhǔn)疥?duì)列需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)頭節(jié)點(diǎn)，并將其指針域置為空，表示隊(duì)列為空。鏈?zhǔn)疥?duì)列的入隊(duì)操作入隊(duì)操作涉及在鏈?zhǔn)疥?duì)列的尾部添加一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，并更新尾節(jié)點(diǎn)的指針指向新節(jié)點(diǎn)。鏈?zhǔn)疥?duì)列的出隊(duì)操作出隊(duì)操作涉及移除鏈?zhǔn)疥?duì)列的頭節(jié)點(diǎn)，并更新頭節(jié)點(diǎn)指針指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。鏈?zhǔn)疥?duì)列的銷毀銷毀鏈?zhǔn)疥?duì)列需要逐個(gè)刪除節(jié)點(diǎn)并釋放內(nèi)存，最后將頭節(jié)點(diǎn)指針置為空。鏈?zhǔn)疥?duì)列的優(yōu)點(diǎn)鏈?zhǔn)疥?duì)列具有動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的能力，可以根據(jù)需要擴(kuò)展或縮小隊(duì)列規(guī)模，且不會(huì)出現(xiàn)隊(duì)列滿的情況。鏈?zhǔn)疥?duì)列的缺點(diǎn)鏈?zhǔn)疥?duì)列的節(jié)點(diǎn)指針占用額外的內(nèi)存空間，且在進(jìn)行出隊(duì)操作時(shí)，需要更新指針，可能會(huì)導(dǎo)致效率較低。同時(shí)，鏈?zhǔn)疥?duì)列的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，需要處理指針的操作。鏈?zhǔn)疥?duì)列的優(yōu)缺點(diǎn)分析04循環(huán)隊(duì)列及其實(shí)現(xiàn)“假溢出”與循環(huán)隊(duì)列在普通的隊(duì)列中，會(huì)出現(xiàn)"假溢出"的情況，即隊(duì)列滿時(shí)仍有空閑空間；而循環(huán)隊(duì)列通過將向量空間首尾相接，解決了這一問題。循環(huán)隊(duì)列定義循環(huán)隊(duì)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(chǔ)結(jié)構(gòu)為環(huán)形。循環(huán)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方式通常使用數(shù)組來實(shí)現(xiàn)循環(huán)隊(duì)列，通過兩個(gè)指針（front和rear）來指示隊(duì)列的頭和尾，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)。循環(huán)隊(duì)列的概念銷毀循環(huán)隊(duì)列的銷毀通常包括釋放動(dòng)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(duì)列的初始化需要設(shè)置隊(duì)列的容量、頭指針（front）和尾指針（rear），并通常將它們?cè)O(shè)置為0或其他初始值。判空與判滿在循環(huán)隊(duì)列中，判空和判滿的條件有所不同。通常，當(dāng)“rear+1==front”時(shí)，隊(duì)列為空；當(dāng)“(rear+1)%capacity==front”時(shí)，隊(duì)列為滿。循環(huán)隊(duì)列的初始化與銷毀優(yōu)點(diǎn)循環(huán)隊(duì)列的主要優(yōu)點(diǎn)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(shí)，其循環(huán)特性使得在某些算法中可以實(shí)現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)存取。循環(huán)隊(duì)列的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景缺點(diǎn)循環(huán)隊(duì)列的缺點(diǎn)在于其實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，需要額外的判斷條件來處理隊(duì)列的滿和空的情況；此外，由于循環(huán)隊(duì)列的環(huán)形結(jié)構(gòu)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)“繞回”現(xiàn)象。應(yīng)用場(chǎng)景循環(huán)隊(duì)列廣泛應(yīng)用于需要高效利用空間和避免“假溢出”的場(chǎng)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(duì)列及其實(shí)現(xiàn)雙端隊(duì)列是一種允許在兩端進(jìn)行入隊(duì)和出隊(duì)操作的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。雙端隊(duì)列（deque）的定義相比普通隊(duì)列，雙端隊(duì)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(duì)列的特點(diǎn)通常采用動(dòng)態(tài)數(shù)組或鏈表實(shí)現(xiàn)，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的需求。雙端隊(duì)列的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)雙端隊(duì)列的概念010203初始化操作創(chuàng)建一個(gè)空的雙端隊(duì)列，通常需要定義隊(duì)列的容量、隊(duì)頭和隊(duì)尾指針等屬性。銷毀操作釋放雙端隊(duì)列占用的內(nèi)存空間，避免內(nèi)存泄漏。隊(duì)列判空判斷雙端隊(duì)列是否為空，以便進(jìn)行出隊(duì)或讀取操作。雙端隊(duì)列的初始化與銷毀頭部入隊(duì)操作尾部入隊(duì)操作尾部出隊(duì)操作頭部出隊(duì)操作在雙端隊(duì)列的頭部插入元素，更新隊(duì)頭指針和隊(duì)列長(zhǎng)度。從雙端隊(duì)列的頭部刪除元素，更新隊(duì)頭指針和隊(duì)列長(zhǎng)度。在雙端隊(duì)列的尾部插入元素，更新隊(duì)尾指針和隊(duì)列長(zhǎng)度。從雙端隊(duì)列的尾部刪除元素，更新隊(duì)尾指針和隊(duì)列長(zhǎng)度。入隊(duì)與出隊(duì)操作實(shí)現(xiàn)（兩端）滑動(dòng)窗口在流式數(shù)據(jù)中維護(hù)一個(gè)固定大小的滑動(dòng)窗口，可以使用雙端隊(duì)列實(shí)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(duì)列可以實(shí)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(chǎng)景中，需要對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間進(jìn)行操作，可以使用雙端隊(duì)列來維護(hù)這個(gè)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(duì)列來管理任務(wù)隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度和搶占式調(diào)度。雙端隊(duì)列的應(yīng)用場(chǎng)景舉例06隊(duì)列的應(yīng)用實(shí)例分析操作系統(tǒng)通過隊(duì)列管理進(jìn)程，按照優(yōu)先級(jí)和時(shí)間順序?yàn)檫M(jìn)程分配CPU資源。進(jìn)程調(diào)度在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，通過隊(duì)列管理設(shè)備的輸入輸出請(qǐng)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(duì)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(duì)列在計(jì)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(duì)列實(shí)現(xiàn)訪問控制，防止資源過度競(jìng)爭(zhēng)和濫用，保證服務(wù)的公平性和可用性。流量控制通過隊(duì)列管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，實(shí)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(duì)列在分布式系統(tǒng)中，使用消息隊(duì)列實(shí)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(duì)列在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的應(yīng)用隊(duì)列在算法設(shè)計(jì)中的應(yīng)用01在圖的廣度優(yōu)先搜索算法中，使用隊(duì)列來存儲(chǔ)待訪問的節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)逐層遍歷和最短路徑搜索。在緩存系統(tǒng)中，使用隊(duì)列實(shí)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(shí)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(duì)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（