数据结构队列课件

数据结构队列课件演讲人：日期：06队列的应用实例分析目录01队列基本概念与特性02队列的顺序存储结构03队列的链式存储结构04循环队列及其实现05双端队列及其实现01队列基本概念与特性队列是一种特殊的线性表，只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作。队列具有先进先出的特性，因此常被用于需要按照一定顺序进行数据处理或事件调度的场合。队列的定义队列的作用队列定义及作用入队操作出队操作获取队头元素判空操作在队列的队尾插入一个元素。判断队列是否为空。在队列的队头删除一个元素。获取队列中第一个元素的值，但不删除该元素。队列的基本操作队列是先进先出（FIFO），栈是后进先出（LIFO）。操作顺序队列只能访问队头和队尾的元素，栈只能访问栈顶的元素。访问方式队列常用于需要按顺序处理的场景，如任务调度、数据缓冲等；栈则常用于递归调用、表达式求值等场景。应用场景队列与栈的区别操作系统中的进程调度、线程调度等场景，通过队列实现任务的按顺序执行。任务调度实际应用场景举例在网络数据传输过程中，使用队列对数据进行缓冲，以保证数据的连续性和稳定性。数据缓冲在图论算法中，使用队列实现广度优先搜索（BFS），以逐层遍历图中的节点。广度优先搜索02队列的顺序存储结构队列的顺序存储结构，即使用一段地址连续的存储单元依次存放队列中的数据元素及其逻辑上的前后关系。顺序队列指示队列头元素在顺序存储结构中的位置。队头指针front指示队列尾元素在顺序存储结构中的位置，并且rear+1为下一个入队元素的位置。队尾指针rear顺序队列的定义顺序队列的初始化与销毁初始化设置队头指针front和队尾指针rear的初值，同时规定队列的最大长度。销毁释放队列所占用的存储空间，通常将队头指针front和队尾指针rear置为0或其他特殊值。入队与出队操作实现出队操作删除队头元素，并更新队头指针front的值，front=front+1。如果front与rear相等，则队列为空。入队操作将新元素添加到队尾，并更新队尾指针rear的值，rear=rear+1。如果rear达到队列的最大长度，则产生溢出。存储结构简单，操作方便，易于实现和理解。优点存在空间浪费问题，队列的最大长度固定，不能动态调整。当队列元素较多时，需要预先分配较大的存储空间；而当队列元素较少时，会造成存储空间的浪费。同时，入队和出队操作的时间复杂度较高，特别是当队列较大时，需要频繁移动元素。缺点顺序队列的优缺点分析03队列的链式存储结构链式队列是一种队列的链式存储结构，由一系列节点组成，每个节点包含数据域和指向下一个节点的指针。在链式队列中，通常将第一个节点称为头节点，最后一个节点称为尾节点，尾节点的指针指向空（NULL）。链式队列的概念链式队列的术语链式队列的定义链式队列的初始化与销毁链式队列的初始化初始化一个空链式队列需要创建一个头节点，并将其指针域置为空，表示队列为空。链式队列的入队操作入队操作涉及在链式队列的尾部添加一个新节点，并更新尾节点的指针指向新节点。链式队列的出队操作出队操作涉及移除链式队列的头节点，并更新头节点指针指向下一个节点。链式队列的销毁销毁链式队列需要逐个删除节点并释放内存，最后将头节点指针置为空。链式队列的优点链式队列具有动态分配内存的能力，可以根据需要扩展或缩小队列规模，且不会出现队列满的情况。链式队列的缺点链式队列的节点指针占用额外的内存空间，且在进行出队操作时，需要更新指针，可能会导致效率较低。同时，链式队列的实现相对复杂，需要处理指针的操作。链式队列的优缺点分析04循环队列及其实现“假溢出”与循环队列在普通的队列中，会出现"假溢出"的情况，即队列满时仍有空闲空间；而循环队列通过将向量空间首尾相接，解决了这一问题。循环队列定义循环队列是一种特殊的线性数据结构，其逻辑结构为线性表，但物理存储结构为环形。循环队列的实现方式通常使用数组来实现循环队列，通过两个指针（front和rear）来指示队列的头和尾，以实现循环。循环队列的概念销毁循环队列的销毁通常包括释放动态分配的内存空间，并将头指针和尾指针设置为NULL或其他无效值。初始化循环队列的初始化需要设置队列的容量、头指针（front）和尾指针（rear），并通常将它们设置为0或其他初始值。判空与判满在循环队列中，判空和判满的条件有所不同。通常，当“rear+1==front”时，队列为空；当“(rear+1)%capacity==front”时，队列为满。循环队列的初始化与销毁优点循环队列的主要优点是它能充分利用向量空间，避免“假溢出”现象的发生；同时，其循环特性使得在某些算法中可以实现更高效的数据存取。循环队列的优缺点及应用场景缺点循环队列的缺点在于其实现相对复杂，需要额外的判断条件来处理队列的满和空的情况；此外，由于循环队列的环形结构，有时会出现数据“绕回”现象。应用场景循环队列广泛应用于需要高效利用空间和避免“假溢出”的场合，如操作系统中的缓冲区管理、网络通信中的数据包传输等。05双端队列及其实现双端队列是一种允许在两端进行入队和出队操作的线性数据结构。双端队列（deque）的定义相比普通队列，双端队列可以在两端进行高效的插入和删除操作，具有更高的灵活性。双端队列的特点通常采用动态数组或链表实现，以适应动态变化的需求。双端队列的存储结构双端队列的概念010203初始化操作创建一个空的双端队列，通常需要定义队列的容量、队头和队尾指针等属性。销毁操作释放双端队列占用的内存空间，避免内存泄漏。队列判空判断双端队列是否为空，以便进行出队或读取操作。双端队列的初始化与销毁头部入队操作尾部入队操作尾部出队操作头部出队操作在双端队列的头部插入元素，更新队头指针和队列长度。从双端队列的头部删除元素，更新队头指针和队列长度。在双端队列的尾部插入元素，更新队尾指针和队列长度。从双端队列的尾部删除元素，更新队尾指针和队列长度。入队与出队操作实现（两端）滑动窗口在流式数据中维护一个固定大小的滑动窗口，可以使用双端队列实现高效的插入和删除操作。缓存淘汰算法在缓存系统中，根据一定的淘汰策略维护缓存的数据，双端队列可以实现LRU（最近最少使用）等缓存淘汰算法。区间操作在某些数据处理场景中，需要对一个数据区间进行操作，可以使用双端队列来维护这个区间，便于进行插入、删除和查询等操作。多任务调度在操作系统或多任务处理系统中，可以使用双端队列来管理任务队列，实现任务的优先级调度和抢占式调度。双端队列的应用场景举例06队列的应用实例分析操作系统通过队列管理进程，按照优先级和时间顺序为进程分配CPU资源。进程调度在设备驱动程序中，通过队列管理设备的输入输出请求，确保设备高效、有序地工作。设备管理在网络通信和数据传输过程中，使用队列作为缓冲区，暂存数据，以保证数据传输的连续性和稳定性。缓冲区管理队列在计算机系统中的应用访问控制在网络服务中，使用队列实现访问控制，防止资源过度竞争和滥用，保证服务的公平性和可用性。流量控制通过队列管理网络数据包，实现流量控制和拥塞避免，确保网络传输的稳定性和可靠性。消息队列在分布式系统中，使用消息队列实现不同进程之间的通信和数据交换，提高系统的可扩展性和灵活性。队列在网络传输中的应用队列在算法设计中的应用01在图的广度优先搜索算法中，使用队列来存储待访问的节点，以实现逐层遍历和最短路径搜索。在缓存系统中，使用队列实现缓存淘汰算法，如LRU（LeastRecentlyUsed）算法，根据数据的使用频率和时间顺序进行淘汰。在一些排序算法中，如基数排序和桶排序，使用队列来暂存和排序数据，以提高排序效率。0203广度优先搜索（