《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件隊(duì)列》課件

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件-隊(duì)列隊(duì)列是一種抽象數(shù)據(jù)類型，它遵循先進(jìn)先出(FIFO)原則。數(shù)據(jù)項(xiàng)按順序添加，并在相反的順序中檢索。by什么是隊(duì)列先進(jìn)先出隊(duì)列遵循先進(jìn)先出的原則，先進(jìn)入隊(duì)列的元素會(huì)先被取出。線性結(jié)構(gòu)隊(duì)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(duì)伍。隊(duì)列的特點(diǎn)先進(jìn)先出隊(duì)列遵循先進(jìn)先出(FIFO)的原則，先進(jìn)入隊(duì)列的元素將最先被取出。線性結(jié)構(gòu)隊(duì)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(gè)元素都有一個(gè)前驅(qū)和后繼。單向訪問(wèn)只能從隊(duì)列的尾部添加元素，從隊(duì)列的頭部刪除元素。應(yīng)用廣泛隊(duì)列在計(jì)算機(jī)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(duì)列的基本操作1入隊(duì)將新元素添加到隊(duì)列的尾部。2出隊(duì)從隊(duì)列的頭部移除元素。3獲取隊(duì)首元素查看隊(duì)列中第一個(gè)元素。4判斷隊(duì)列是否為空檢查隊(duì)列是否包含任何元素。隊(duì)列的順序存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)1數(shù)組使用數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)隊(duì)列元素2front指向隊(duì)頭元素3rear指向隊(duì)尾元素的下一個(gè)位置順序存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)是使用數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)隊(duì)列元素的一種常見(jiàn)方法。隊(duì)列的大小在初始化時(shí)被固定，數(shù)組的索引對(duì)應(yīng)隊(duì)列元素的順序。順序隊(duì)列的入隊(duì)和出隊(duì)1入隊(duì)將新元素插入到隊(duì)尾，類似于在數(shù)組末尾添加一個(gè)新元素。2出隊(duì)刪除隊(duì)首元素，類似于從數(shù)組頭部刪除第一個(gè)元素。3操作步驟檢查隊(duì)列是否已滿。如果隊(duì)列未滿，將新元素插入到隊(duì)尾。如果隊(duì)列已滿，則無(wú)法入隊(duì)，需要進(jìn)行處理。檢查隊(duì)列是否為空。如果隊(duì)列不為空，刪除隊(duì)首元素。如果隊(duì)列為空，則無(wú)法出隊(duì)，需要進(jìn)行處理。順序隊(duì)列溢出和下溢溢出隊(duì)列已滿，無(wú)法添加新元素。下溢隊(duì)列為空，無(wú)法刪除元素。循環(huán)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)環(huán)形數(shù)組使用一個(gè)固定大小的數(shù)組，將數(shù)組的末尾連接到開(kāi)頭，形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。前后指針使用兩個(gè)指針?lè)謩e指向隊(duì)列的頭部和尾部，用于控制入隊(duì)和出隊(duì)操作。邊界處理需要特殊處理循環(huán)隊(duì)列的邊界條件，以避免數(shù)組越界。空間利用相比于順序隊(duì)列，循環(huán)隊(duì)列可以有效地利用數(shù)組空間，避免空間浪費(fèi)。循環(huán)隊(duì)列的操作入隊(duì)操作在循環(huán)隊(duì)列中入隊(duì)時(shí)，需要先判斷隊(duì)列是否已滿。如果隊(duì)列已滿，則不能入隊(duì)。否則，將元素插入到隊(duì)尾，并將隊(duì)尾指針指向下一個(gè)位置。出隊(duì)操作在循環(huán)隊(duì)列中出隊(duì)時(shí)，需要先判斷隊(duì)列是否為空。如果隊(duì)列為空，則不能出隊(duì)。否則，將隊(duì)頭指針指向下一個(gè)位置，并將隊(duì)頭元素刪除。鏈?zhǔn)疥?duì)列的實(shí)現(xiàn)1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)包含數(shù)據(jù)域和指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針2隊(duì)列頭指針指向隊(duì)列的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)3隊(duì)列尾指針指向隊(duì)列的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)4操作入隊(duì)、出隊(duì)、判空、判滿鏈?zhǔn)疥?duì)列的實(shí)現(xiàn)使用鏈表，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。隊(duì)列頭指針指向隊(duì)列的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，隊(duì)列尾指針指向隊(duì)列的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。鏈?zhǔn)疥?duì)列的操作包括入隊(duì)、出隊(duì)、判空、判滿。鏈?zhǔn)疥?duì)列的操作入隊(duì)在鏈?zhǔn)疥?duì)列的尾部添加新節(jié)點(diǎn)，將新節(jié)點(diǎn)的地址存入尾節(jié)點(diǎn)的next指針。出隊(duì)刪除隊(duì)頭節(jié)點(diǎn)，并將隊(duì)頭指針指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，釋放原隊(duì)頭節(jié)點(diǎn)的空間。獲取隊(duì)頭元素直接返回隊(duì)頭節(jié)點(diǎn)的值。獲取隊(duì)列長(zhǎng)度遍歷整個(gè)鏈?zhǔn)疥?duì)列，統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。隊(duì)列的應(yīng)用-任務(wù)調(diào)度任務(wù)排序隊(duì)列可以用于根據(jù)優(yōu)先級(jí)或到達(dá)時(shí)間對(duì)任務(wù)進(jìn)行排序，確保重要任務(wù)先執(zhí)行。資源分配隊(duì)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(guò)隊(duì)列，可以跟蹤任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，并及時(shí)處理異常情況。隊(duì)列的應(yīng)用-緩沖區(qū)數(shù)據(jù)緩存緩沖區(qū)用于暫時(shí)存儲(chǔ)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(duì)磁盤或網(wǎng)絡(luò)的頻繁訪問(wèn)，提高程序性能。隊(duì)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(duì)列來(lái)存儲(chǔ)和處理打印請(qǐng)求。每個(gè)打印請(qǐng)求都會(huì)被添加到隊(duì)列中，并按順序等待打印。隊(duì)列的先進(jìn)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(qǐng)求相互混淆。隊(duì)列的應(yīng)用-銀行業(yè)務(wù)管理11.銀行排隊(duì)系統(tǒng)隊(duì)列可以模擬銀行排隊(duì)系統(tǒng)，客戶到達(dá)銀行后進(jìn)入隊(duì)列，按順序等待服務(wù)。22.自動(dòng)取款機(jī)自動(dòng)取款機(jī)可以使用隊(duì)列存儲(chǔ)等待取款的客戶請(qǐng)求，以確保按順序處理。33.銀行柜臺(tái)管理銀行柜臺(tái)可以使用隊(duì)列來(lái)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(duì)列來(lái)存儲(chǔ)交易請(qǐng)求，確保交易的順序執(zhí)行。隊(duì)列的優(yōu)點(diǎn)先進(jìn)先出隊(duì)列遵循“先進(jìn)先出”的原則，確保數(shù)據(jù)按順序處理，易于管理。易于實(shí)現(xiàn)隊(duì)列可以使用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如順序存儲(chǔ)或鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易懂。廣泛應(yīng)用隊(duì)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(shí)際問(wèn)題。隊(duì)列的缺點(diǎn)有限容量隊(duì)列通常具有預(yù)定義的容量，一旦容量已滿，則無(wú)法添加更多元素。元素順序固定隊(duì)列遵循FIFO（先進(jìn)先出）原則，無(wú)法直接訪問(wèn)或修改隊(duì)列中的元素。特定用途隊(duì)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(duì)列與棧的區(qū)別棧后進(jìn)先出(LIFO)，就像一疊書，最后放進(jìn)去的書最先被取出來(lái)。隊(duì)列先進(jìn)先出(FIFO)，就像排隊(duì)買票，最先排隊(duì)的人最先被服務(wù)。雙端隊(duì)列Deque定義雙端隊(duì)列（Deque）是一種允許從兩端進(jìn)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(duì)列相比，雙端隊(duì)列更加靈活，可以根據(jù)需要從頭部或尾部進(jìn)行操作。棧和隊(duì)列雙端隊(duì)列可以模擬棧和隊(duì)列的功能，具有較高的通用性。Deque的基本操作入隊(duì)(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(duì)和尾部入隊(duì)。出隊(duì)(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(duì)和尾部出隊(duì)。訪問(wèn)(Access)訪問(wèn)Deque中的任意元素。根據(jù)訪問(wèn)位置區(qū)分頭部訪問(wèn)和尾部訪問(wèn)。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(duì)列可以實(shí)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(lái)。文本編輯器文本編輯器使用雙端隊(duì)列實(shí)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(jì)軟件圖形設(shè)計(jì)軟件也使用雙端隊(duì)列實(shí)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(dòng)窗口滑動(dòng)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(zhǎng)度的數(shù)據(jù)窗口，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。Deque的雙端插入和刪除特性，使其成為實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)窗口的理想選擇。它可以高效地添加新數(shù)據(jù)，并移除過(guò)期數(shù)據(jù)。優(yōu)先隊(duì)列的概念優(yōu)先級(jí)每個(gè)元素都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的元素先出隊(duì)。排序規(guī)則優(yōu)先隊(duì)列可以根據(jù)不同的規(guī)則進(jìn)行排序，例如升序或降序。隊(duì)列特性優(yōu)先隊(duì)列遵循先進(jìn)先出(FIFO)的原則，但優(yōu)先級(jí)高的元素會(huì)先出隊(duì)。優(yōu)先隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)-堆堆的特點(diǎn)堆是一種特殊的二叉樹(shù)，滿足堆性質(zhì)：完全二叉樹(shù)，父節(jié)點(diǎn)值大于子節(jié)點(diǎn)值（大頂堆）或小于子節(jié)點(diǎn)值（小頂堆）。堆的實(shí)現(xiàn)使用數(shù)組存儲(chǔ)堆，根據(jù)節(jié)點(diǎn)索引可快速找到父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，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(lái)實(shí)現(xiàn)高效的增刪操作。堆的應(yīng)用堆在優(yōu)先隊(duì)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(duì)列的操作1插入將元素插入優(yōu)先隊(duì)列，按照優(yōu)先級(jí)排序。2刪除從優(yōu)先隊(duì)列中刪除優(yōu)先級(jí)最高的元素。3獲取獲取優(yōu)先級(jí)最高的元素，但不刪除它。4大小查詢優(yōu)先隊(duì)列中元素的數(shù)量。優(yōu)先隊(duì)列的應(yīng)用-任務(wù)調(diào)度任務(wù)調(diào)度優(yōu)先隊(duì)列用于管理任務(wù)調(diào)度，根據(jù)優(yōu)先級(jí)分配資源。動(dòng)態(tài)分配優(yōu)先隊(duì)列可以根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)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(duì)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(shù)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(wèn)題，例如任務(wù)調(diào)度。搜索優(yōu)先隊(duì)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(duì)列的基本概念理解隊(duì)列