一文讲清 c++ 之队列

队列也是一种特殊的 “表”，使用队列时插入是在一端操作,而删除则是在另外一端

1.队列模型

队列的基本操作是enqueue(入队)，它是在表的末端（称为队尾)插入--个元素;dequeue(出队)，它是删除（并返回)表的开头(叫作队头）的元素。下图显示了一个队列的抽象模型。

 2.链表实现队列

#include
#include
#include
using namespace std;
 
struct Node{
	int val;
	Node* next;
	Node(int v){
		val = v;
		next = NULL;
	}
};
class Queue{
	int size;
	Node* head; //pointer to the font node
	Node* back;	//pointer to the least node
public:
	Queue(){
		size = 0;
		head = back = NULL;
	}
	bool empty(){
		return size == 0;
	}
	Node* front(){
		return head;
	}
	Node* push_back(int v){
		if (size == 0){
			//note that head-next should give valuation after head
			head->next = head = back = new Node(v);
		}
		else if (size == 1){
			head->next = back = new Node(v);
		}
		else {
			back->next = new Node(v);
			back = back->next;
		}
		size++;
		return back;
	}
	//delete the font node
	void pop(){
		if (empty()) return;
		Node* temp = head;
		head = head->next ;
		delete temp;
		size--;
	}
};
 
void test_queue(){
	Queue queue;
	int n;
	cin >> n;
	for (int i = 0; i < n; i++){
		int temp;
		cin >> temp;
		queue.push_back(temp);
	}
	//you have to judge if queue is empty before using this font node
	while (queue.empty() == false){
		cout << queue.front()->val << endl;
		queue.pop();
	}
	return;
}
 
int main(){
	test_queue();
	return 0;
}

2.用数组实现

对于每一个队列数据结构，我们保留一个数组theArray以及位置front和back，它们代表队列的两端。我们还要记录实际存在于队列中的元素的个数currentsize。下图表示处于某个中间状态的一个队列。

 操作应该是清楚的。要enqueue元素x，可将currentsize和 back增1，然后置theArray[back]=x。要dequeue一个元素，可以置返回值为theArray[front]，将currentsize减1，再将front增1。其他的方法也可以使用（将在后面讨论)。现在论述错误的检测。

这种实现存在一个潜在的问题。经过10次enqueue后，队列似乎是满了，因为back现在是数组的最后一个下标，而下一次执行enqueue就会是一个不存在的位置。然而，队列中也许只存在几个元素，因为若干元素可能已经出队了。像栈一样，即使在有许多操作的情况下队列也常常不是很大。

简单的解决方法是，只要front或back到达数组的尾端，就绕回到开头。下列图显示了在某些操作期间的队列情况。这称为循环数组(circular array）实现可以看成换环队列。

 环形队列与普通队列的区别：

1.front头部指针

一般队列：front头部指针初始值为-1，从队列取数据时，该值依次递增，指向的元素即待取出的数据，而队列的头部数据所在的指针位置为front+1。当front=maxSize-1时，队列最后一个数据取出，此时队列为空。

环形队列：front头部指针初始值为0，指向的元素既是队列的头部数据也是待取出的数据。从队列取数据时，因逻辑上的闭环，指针可能再次回到前面的位置，不能单一递增处理，需通过取模来重新计算指针的值。

2.rear尾部指针

一般队列：rear尾部指针初始值为-1，队列添加数据时，该值依次递增，当rear=maxSize-1时，队列满，无法再添加数据。

环形队列：rear尾部指针初始值为0，指向待添加数据的位置，队列添加数据时，因逻辑上的闭环，指针可能再次回到前面的位置，不能单一递增处理，会出现角标越界异常，需通过取模来重新计算指针的值。

3.队列空的判断逻辑

一般队列：rear == front时，队列空。

环形队列：rear == front时，队列空。

4.队列满的判断逻辑

一般队列：rear = maxSize - 1时，队列满。

环形队列：(rear + 1) % maxSize == front时，队列满。

代码实现：

#include 
#include 
#include 
 
class Ciclequeue
{
    public:
        //队列最大容量
	int m_maxSize;
	//队列头指针
	int m_frontIdx;
	//队列尾指针
	int m_rearIdx;
	//队列数组
	int *m_queueArr;
    public:
	//构造函数
    	Ciclequeue(int tmpSize)
	{
	    m_maxSize = tmpSize;
	    m_frontIdx = 0;
	    m_rearIdx = 0;
            m_queueArr = new int[m_maxSize];
	    memset(m_queueArr, 0 , sizeof(int)*m_maxSize);
	}
		
	//析构函数
	~Ciclequeue()
	{
	    delete m_queueArr;
	    m_queueArr = NULL;
	}
 
	//入队
	void enqueue(int datavalue)
	{
	    if(isfull())
	    {
		std::cout<<"Queue is full!"<
		return;
	    }
 
	    m_queueArr[m_rearIdx] = datavalue;
	    m_rearIdx = (m_rearIdx + 1)%m_maxSize;
	}
 
	//出队
	void dequeue()
	{
	    if(isempty())
	    {
		std::cout<<"Queue is empty!"<
		return;
	    }
			
    	    m_queueArr[m_frontIdx] = -1; //模拟出队列动作
	    m_frontIdx = (m_frontIdx + 1)%m_maxSize;
	}
 
	//检查队列是否已满
	bool isfull()
	{
	    if(m_maxSize == -1)
	    {
		std::cout<<"Create queue error!"<
		return false;
	    }
	    return (m_rearIdx + 1)%m_maxSize == m_frontIdx;
	}
 
	//检查队列是否为空
	bool isempty()
	{
	    if(m_maxSize == -1)
	    {
		std::cout<<"Create queue error!"<
		return false;
	    }
	    return m_rearIdx == m_frontIdx;
	}
 
	//当前队列元素各个数
	int size()
	{
	    return (m_rearIdx - m_frontIdx + m_maxSize) % m_maxSize;
	}
 
	//显示队列
	void showqueue()
	{
	    if(isempty())
	    {
		return;
	    }
 
	    for(int i = m_frontIdx; i < m_frontIdx + size(); i++ )
	    {
		std::cout<" "<
	    }
	}
 
	//显示队列头
	void showqueuefront()
	{
	    std::cout<
	}
};
 
int main(int argc, char **argv) 
{
	int tmpSize = std::atoi(argv[1]);
	if(tmpSize <= 0)
	{
		std::cout<<"Set MaxSize Error!"<
		return 0;
	}
 
	Ciclequeue *testqueue = new Ciclequeue(tmpSize);
	testqueue->enqueue(3);
	testqueue->enqueue(2);
	testqueue->dequeue();
	testqueue->enqueue(4);
	testqueue->dequeue();
	testqueue->enqueue(5);
	testqueue->enqueue(66);
	testqueue->enqueue(88);
	testqueue->enqueue(1204);
 
	testqueue->showqueue();
 
	delete testqueue;
	testqueue = NULL;
 
    return 0;
}

3.队列的应用

关于计算机网络的。有许多种PC机的网络设置，其中磁盘是放一台叫作文件服务器(file server)的机器上的。使用其他计算机的用户是按照先到先使用的原则访问文件的,

因此其数据结构是一个队列

升级：

一个称为排队论(queuing theory)的数学分支用概率的方法处理--些诸如计算用户预计要排队等待的时间、等待的队伍能够排多长等类问题。问题的答案依赖于用户加入队列的频率以及-一旦用户得到服务时处理服务花费的时间。这两个参数作为概率分布函数给出。在一些简单的情况下，答案可以解析地算出。一种简单的例子是条电话线有一个接线员。如果接线员忙，打来的电话就被放到个等待队列中（这还与某个容许的最大限度有关)。这个问题在商业上很重要，因为研究表明，人们会很快挂上电话。如果有k个接线员，那么这个问题解决起来要困难得多。解析求解困难的问题往往使用模拟的方法求解。此时，需要使用一个队列来进行模拟。如果k很大，那么还需要其他一些数据结构来使得模拟更有效地进行。

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