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队列是一种常见的数据结构#xff0c;按照先进先出#xff08;FIFO#xff0c;First In First Out#xff09;的原则排列数据。也就是说#xff0c;最早进入队列的元素最先被移除。队列主要支持两种基本操作#xff1a; 入队#xff08;enqueue#xff0…一、认识队列
队列是一种常见的数据结构按照先进先出FIFOFirst In First Out的原则排列数据。也就是说最早进入队列的元素最先被移除。队列主要支持两种基本操作 入队enqueue将元素添加到队列的尾部。 出队dequeue从队列的头部移除并返回元素。 队列的其他操作 创建队列初始化一个空队列。 查看队列头部元素返回但不移除队列的头部元素通常称为“peek”或“front”。 判断队列是否为空检查队列中是否还有元素。 获取队列大小返回队列中元素的数量。 1.顺序队列
顺序队列即用顺序结构存储数组实现
#include iostream class Queue {
private: int* arr; int front; int rear; int capacity;
public: Queue(int size) { arr new int[size]; capacity size; front 0; rear -1; } ~Queue() { delete[] arr; } void enqueue(int item) { if (rear capacity - 1) { std::cout Queue is full! std::endl; return; } arr[rear] item; } int dequeue() { if (is_empty()) { std::cout Queue is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return arr[front]; } int peek() { if (is_empty()) { std::cout Queue is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return arr[front]; } bool is_empty() const { return front rear; } int size() const { return rear - front 1; }
}; int main() { Queue q(5); q.enqueue(10); q.enqueue(20); q.enqueue(30); std::cout Front element: q.peek() std::endl; // 输出 10 std::cout Dequeued element: q.dequeue() std::endl; // 输出 10 std::cout Queue size: q.size() std::endl; // 输出 2 return 0;
}
2.链式队列
链式队列即用链式存储用链表实现
#include iostream class Node {
public: int data; Node* next; Node(int value) : data(value), next(nullptr) {}
}; class Queue {
private: Node* front; Node* rear; int size;
public: Queue() : front(nullptr), rear(nullptr), size(0) {} ~Queue() { while (!is_empty()) { dequeue(); } } void enqueue(int item) { Node* newNode new Node(item); if (rear) { rear-next newNode; } rear newNode; if (!front) { front rear; } size; } int dequeue() { if (is_empty()) { std::cout Queue is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } Node* temp front; int value front-data; front front-next; delete temp; if (!front) { rear nullptr; // 队列变空 } size--; return value; } int peek() { if (is_empty()) { std::cout Queue is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return front-data; } bool is_empty() const { return size 0; } int get_size() const { return size; }
}; int main() { Queue q; q.enqueue(10); q.enqueue(20); q.enqueue(30); std::cout Front element: q.peek() std::endl; // 输出 10 std::cout Dequeued element: q.dequeue() std::endl; // 输出 10 std::cout Queue size: q.get_size() std::endl; // 输出 2 return 0;
} 二、双端队列
1.顺序双端队列
#include iostream class Deque {
private: int* arr; int front; int rear; int capacity;
public: Deque(int size) { arr new int[size]; capacity size; front -1; rear 0; } ~Deque() { delete[] arr; } void insertFront(int item) { if (is_full()) { std::cout Deque is full! std::endl; return; } if (is_empty()) { front 0; rear 0; } else { front (front - 1 capacity) % capacity; // 循环移动前指针 } arr[front] item; } void insertRear(int item) { if (is_full()) { std::cout Deque is full! std::endl; return; } if (is_empty()) { front 0; rear 0; } else { rear (rear 1) % capacity; // 循环移动后指针 } arr[rear] item; } int deleteFront() { if (is_empty()) { std::cout Deque is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } int item arr[front]; if (front rear) { // 仅有一个元素 front -1; rear 0; } else { front (front 1) % capacity; // 循环移动前指针 } return item; } int deleteRear() { if (is_empty()) { std::cout Deque is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } int item arr[rear]; if (front rear) { // 仅有一个元素 front -1; rear 0; } else { rear (rear - 1 capacity) % capacity; // 循环移动后指针 } return item; } int getFront() const { if (is_empty()) { std::cout Deque is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return arr[front]; } int getRear() const { if (is_empty()) { std::cout Deque is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return arr[rear]; } bool is_empty() const { return front -1; } bool is_full() const { return (rear 1) % capacity front; }
}; int main() { Deque dq(5); dq.insertRear(10); dq.insertRear(20); dq.insertFront(5); dq.insertFront(0); std::cout Front element: dq.getFront() std::endl; // 输出 0 std::cout Rear element: dq.getRear() std::endl; // 输出 20 dq.deleteFront(); // 删除 0 dq.deleteRear(); // 删除 20 std::cout Front element after deletions: dq.getFront() std::endl; // 输出 5 return 0;
}
2.链式双端队列
双端队列的链式存储采用双向链表来实现模拟
#include iostream class Node {
public: int data; Node* next; Node* prev; Node(int value) : data(value), next(nullptr), prev(nullptr) {}
}; class Deque {
private: Node* front; Node* rear;
public: Deque() : front(nullptr), rear(nullptr) {} ~Deque() { while (!is_empty()) { deleteFront(); } } void insertFront(int item) { Node* newNode new Node(item); if (is_empty()) { front rear newNode; } else { newNode-next front; front-prev newNode; front newNode; } } void insertRear(int item) { Node* newNode new Node(item); if (is_empty()) { front rear newNode; } else { rear-next newNode; newNode-prev rear; rear newNode; } } int deleteFront() { if (is_empty()) { std::cout Deque is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } Node* temp front; int value front-data; front front-next; if (front) { front-prev nullptr; } else { rear nullptr; // 如果队列变空 } delete temp; return value; } int deleteRear() { if (is_empty()) { std::cout Deque is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } Node* temp rear; int value rear-data; rear rear-prev; if (rear) { rear-next nullptr; } else { front nullptr; // 如果队列变空 } delete temp; return value; } int getFront() const { if (is_empty()) { std::cout Deque is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return front-data; } int getRear() const { if (is_empty()) { std::cout Deque is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return rear-data; } bool is_empty() const { return front nullptr; }
}; int main() { Deque dq; dq.insertRear(10); dq.insertRear(20); dq.insertFront(5); dq.insertFront(0); std::cout Front element: dq.getFront() std::endl; // 输出 0 std::cout Rear element: dq.getRear() std::endl; // 输出 20 dq.deleteFront(); // 删除 0 dq.deleteRear(); // 删除 20 std::cout Front element after deletions: dq.getFront() std::endl; // 输出 5 return 0;
}
三、循环队列
1.顺序循环队列
#include iostream class CircularQueue {
private: int* arr; // 存储队列元素的数组 int front; // 队列头指针 int rear; // 队列尾指针 int capacity; // 队列的最大容量 int count; // 当前队列中的元素数量 public: CircularQueue(int size) { arr new int[size]; capacity size; front 0; rear -1; count 0; } ~CircularQueue() { delete[] arr; } // 入队操作 void enqueue(int item) { if (is_full()) { std::cout Queue is full! std::endl; return; } rear (rear 1) % capacity; // 循环移动尾指针 arr[rear] item; count; } // 出队操作 int dequeue() { if (is_empty()) { std::cout Queue is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } int item arr[front]; front (front 1) % capacity; // 循环移动头指针 count--; return item; } // 获取队头元素 int peek() const { if (is_empty()) { std::cout Queue is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return arr[front]; } // 检查队列是否为空 bool is_empty() const { return count 0; } // 检查队列是否已满 bool is_full() const { return count capacity; } // 获取当前队列大小 int size() const { return count; }
}; int main() { CircularQueue cq(5); // 创建一个容量为5的循环队列 cq.enqueue(10); cq.enqueue(20); cq.enqueue(30); cq.enqueue(40); cq.enqueue(50); std::cout Front element: cq.peek() std::endl; // 输出 10 std::cout Dequeued: cq.dequeue() std::endl; // 输出 10 std::cout Front element after dequeue: cq.peek() std::endl; // 输出 20 cq.enqueue(60); // 尝试入队一个新元素 std::cout Front element after enqueue: cq.peek() std::endl; // 输出 20 return 0;
}
2.链式循环队列 采用循环链表的方式来实现循环队列
#include iostream class Node {
public: int data; Node* next; Node(int value) : data(value), next(nullptr) {}
}; class CircularQueue {
private: Node* front; // 队列头指针 Node* rear; // 队列尾指针 int count; // 当前队列中的元素数量 public: CircularQueue() : front(nullptr), rear(nullptr), count(0) {} ~CircularQueue() { while (!is_empty()) { dequeue(); } } // 入队操作 void enqueue(int item) { Node* newNode new Node(item); if (is_empty()) { front rear newNode; rear-next front; // 形成循环 } else { rear-next newNode; rear newNode; rear-next front; // 形成循环 } count; } // 出队操作 int dequeue() { if (is_empty()) { std::cout Queue is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } int item front-data; Node* temp front; if (front rear) { // 只有一个元素 front rear nullptr; } else { front front-next; rear-next front; // 更新尾指针 } delete temp; count--; return item; } // 获取队头元素 int peek() const { if (is_empty()) { std::cout Queue is empty! std::endl; return -1; // 或抛出异常 } return front-data; } // 检查队列是否为空 bool is_empty() const { return count 0; } // 获取当前队列大小 int size() const { return count; }
}; int main() { CircularQueue cq; // 创建一个循环队列 cq.enqueue(10); cq.enqueue(20); cq.enqueue(30); std::cout Front element: cq.peek() std::endl; // 输出 10 std::cout Dequeued: cq.dequeue() std::endl; // 输出 10 std::cout Front element after dequeue: cq.peek() std::endl; // 输出 20 cq.enqueue(40); // 尝试入队一个新元素 std::cout Front element after enqueue: cq.peek() std::endl; // 输出 20 return 0;
}
四、算法专题
队列是一种重要的数据结构广泛应用于计算机科学的各个领域。理解队列的基本概念、操作和实现方式对于学习数据结构和算法非常重要。
1.队列的应用场景 任务调度操作系统中的进程调度。 打印队列管理打印任务的顺序。 广度优先搜索BFS图算法中的节点访问顺序。 消息队列在分布式系统中传递消息。 2.队列的相关算法 循环队列通过循环数组或链表实现避免了空间浪费。 优先队列每个元素都有一个优先级出队时优先级高的元素先被移除。 阻塞队列在多线程环境中使用支持线程安全的入队和出队操作。 3.算法题推荐
模拟队列232. 用栈实现队列 - 力扣LeetCode
class MyQueue {stackint v;
public:MyQueue() {}void push(int x) {v.push(x);}int pop() {if(empty())return NULL;stackint ts;while (!v.empty()) {ts.push(v.top());v.pop();}int ans ts.top();ts.pop();while (!ts.empty()) {v.push(ts.top());ts.pop();}return ans;}int peek() {if(empty())return NULL;stackint ts v;while (ts.size() ! 1) {ts.pop();}//就剩栈底了return ts.top();}bool empty() {return v.empty();}
};/*** Your MyQueue object will be instantiated and called as such:* MyQueue* obj new MyQueue();* obj-push(x);* int param_2 obj-pop();* int param_3 obj-peek();* bool param_4 obj-empty();*/
239. 滑动窗口最大值 - 力扣LeetCode双端队列239. 滑动窗口最大值 - 力扣LeetCode
class Solution {
public://时间复杂度O((n-k)*k)vectorint maxSlidingWindow(vectorint nums, int k) {vectorint ret;if (nums.size() 0)return ret;dequeint q; //存储位置for (int i 0; i nums.size(); i) {while (!q.empty() nums[i] nums[q.back()]) {q.pop_back();}q.push_back(i);if (k i - q.front()) q.pop_front();//超出长度if (i k - 1) ret.push_back(nums[q.front()]);}return ret;}
}; 优先队列(堆)23. 合并 K 个升序链表 - 力扣LeetCode
class Solution {
public:struct Status {int val;ListNode *ptr;bool operator (const Status rhs) const {return val rhs.val;}};priority_queue Status q;ListNode* mergeKLists(vectorListNode* lists) {for (auto node: lists) {if (node) q.push({node-val, node});}ListNode head, *tail head;while (!q.empty()) {auto f q.top(); q.pop();tail-next f.ptr; tail tail-next;if (f.ptr-next) q.push({f.ptr-next-val, f.ptr-next});}return head.next;}
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