【7】数据结构的队列篇章

news2025/4/6 23:02:32

目录标题

    • 队列的定义
    • 顺序队列的实现
      • 初始化
      • 入队
      • 出队
      • 顺序队列总代码与调试
    • 循环队列的实现
      • 初始化
      • 入队
      • 出队
      • 获取队首元素
      • 循环队列总代码与调试
    • 链式队列的实现
      • 链式队列的初始化
      • 入队
      • 出队
      • 获取队首元素
      • 链式队列总代码与调试

队列的定义

  • 定义：队列（Queue）是一种常见的数据结构，它遵循“先进先出”（First In First Out，FIFO）的原则。类似于排队买票的情况，排在前面的先离开队列，后面来的排在队尾。
  • 特点：
    • 队列只允许在一端删除，在另一端插入的线性表
    • 允许删除的一端称为队首，允许插入的一端称为队尾
    • 向队列中插入元素称入队，从队列中删除元素称为出队
  • 队列示意图

在这里插入图片描述

顺序队列的实现

初始化

class SeqQueue:
    """
    顺序队列的定义
    """
    def __init__(self, max):
        """
        顺序队列的初始化
        :param max: 队列大小
        """
        self.max = max

        # 存储队列元素
        self.data = [None for i in range(self.max)]
        # 队首指针
        self.front = 0
        # 队尾指针
        self.rear = 0

入队

  • 核心思想
    • 检查队列是否已满
    • 在队尾插入元素值
    • 队尾指针加1
  • 入队示意图

在这里插入图片描述

  • 代码实现
    def enter(self, data):
        """
        入队
        :param data: 入队元素
        :return:
        """
        # 队满情况
        if self.rear == self.max:
            raise IndexError('队列已满')
        # 在队尾插入新的关键字
        self.data[self.rear] = data
        # 队尾指针加1
        self.rear += 1

出队

  • 核心思想
    • 检查队列是否为空
    • 获取队首元素
    • 队首指针front向后移动一格
  • 出队示意图

在这里插入图片描述

  • 代码实现
    def delete(self):
        """
        出队
        :return: 出队元素
        """
        # 队空
        if self.front == self.rear:
            raise IndexError('队空')
        # 获取出队元素
        data = self.data[self.front]
        # 队首指向下一个元素位置
        self.front += 1
        return data

顺序队列总代码与调试

# 10.顺序队列
class SeqQueue:
    """
    顺序队列的定义
    """
    def __init__(self, max):
        """
        顺序队列的初始化
        :param max: 队列大小
        """
        self.max = max

        # 存储队列元素
        self.data = [None for i in range(self.max)]
        # 队首指针
        self.front = 0
        # 队尾指针
        self.rear = 0

    def enter(self, data):
        """
        入队
        :param data: 入队元素
        :return:
        """
        # 队满情况
        if self.rear == self.max:
            raise IndexError('队列已满')
        # 在队尾插入新的关键字
        self.data[self.rear] = data
        # 队尾指针加1
        self.rear += 1
    def delete(self):
        """
        出队
        :return: 出队元素
        """
        # 队空
        if self.front == self.rear:
            raise IndexError('队空')
        # 获取出队元素
        data = self.data[self.front]
        # 队首指向下一个元素位置
        self.front += 1
        return data


if __name__ == '__main__':

    print('PyCharm')
    # 10.队列
    seqQueue = SeqQueue(8)
    # 10.1入队
    seqQueue.enter(10)
    seqQueue.enter(20)
    seqQueue.enter(30)
    # 10.2出队
    data = seqQueue.delete()
    print('当前出队元素：', data)
    data = seqQueue.delete()
    print('当前出队元素：', data)
    # 入队
    seqQueue.enter(40)
    seqQueue.enter(50)
    seqQueue.enter(60)
    # 出队
    data = seqQueue.delete()
    print('当前出队元素：', data)

    data = seqQueue.delete()
    print('当前出队元素：', data)
    
    data = seqQueue.delete()
    print('当前出队元素：', data)

循环队列的实现

  • 顺序队列易出现队列溢出的情况，针对这种情况的解决思路，设计了循环队列的线性表。
  • 顺序队列中存在的假溢出现象

在这里插入图片描述

  • 循环队列的出入队解决情况

在这里插入图片描述

  • 设定
    • 队首取下一个位置为：(front + 1) % max
    • 队尾取下一个位置为：(rear + 1) % max
    • 队空：front == rear
    • 队满：(rear + 1) % max == front

初始化

  • 初始化
class CSeqQueue:
    """
    顺序队列的定义
    """
    def __init__(self, max):
        """
        顺序队列的初始化
        :param max: 队列大小
        """
        self.max = max

        # 存储队列元素
        self.data = [None for i in range(self.max)]
        # 队首指针
        self.front = 0
        # 队尾指针
        self.rear = 0
  • 是否为空
    def isEmpty(self):
        """
        循环队列是否为空
        :return: true or false
        """
        return self.front ==self.rear

入队

  • 核心思想
    • 检查队列是否已满
    • 在队尾插入元素值
    • 取队尾的下一个位置
  • 代码实现
    def enter(self, data):
        """
        入队
        :param data: 入队元素
        :return:
        """
        # 队列满的情况
        if(self.rear + 1)% self.max == self.front:
            raise IndexError('队列已满')
        # 在队尾插入data
        self.data[self.rear] = data
        # 修改队尾指针
        self.rear = (self.rear + 1) % self.max

出队

  • 核心思想
    • 检查队列是否为空
    • 获取队首元素
    • 取队首的下一个位置
  • 代码实现
    def delete(self):
        """
        出队
        :return: 返回队首元素
        """
        # 队空
        if self.isEmpty():
            raise IndexError('队列为空')
        # 获队首元素
        data = self.data[self.front]
        # 修改队首指针
        self.front = (self.front + 1) % self.max
        #返回
        return data

获取队首元素

    def peak(self):
        """
        获取队首元素
        :return: 队首元素
        """
        # 队空
        if self.isEmpty():
            raise IndexError('队列为空')
        # 返回队首元素
        return self.data[self.front]

循环队列总代码与调试

# 11.循环队列
class CSeqQueue:
    """
    顺序队列的定义
    """
    def __init__(self, max):
        """
        顺序队列的初始化
        :param max: 队列大小
        """
        self.max = max

        # 存储队列元素
        self.data = [None for i in range(self.max)]
        # 队首指针
        self.front = 0
        # 队尾指针
        self.rear = 0

    def isEmpty(self):
        """
        循环队列是否为空
        :return: true or false
        """
        return self.front ==self.rear

    def enter(self, data):
        """
        入队
        :param data: 入队元素
        :return:
        """
        # 队列满的情况
        if(self.rear + 1)% self.max == self.front:
            raise IndexError('队列已满')
        # 在队尾插入data
        self.data[self.rear] = data
        # 修改队尾指针
        self.rear = (self.rear + 1) % self.max

    def delete(self):
        """
        出队
        :return: 返回队首元素
        """
        # 队空
        if self.isEmpty():
            raise IndexError('队列为空')
        # 获队首元素
        data = self.data[self.front]
        # 修改队首指针
        self.front = (self.front + 1) % self.max
        #返回
        return data

    def peak(self):
        """
        获取队首元素
        :return: 队首元素
        """
        # 队空
        if self.isEmpty():
            raise IndexError('队列为空')
        # 返回队首元素
        return self.data[self.front]


if __name__ == '__main__':

    print('PyCharm')
    # 11.循环队列
    cseqQueue = CSeqQueue(5)
    # 入队
    cseqQueue.enter(10)
    cseqQueue.enter(20)
    cseqQueue.enter(30)
    print('输出队首元素：', cseqQueue.peak())
    # 出队10
    data = cseqQueue.delete()
    print('出队的元素：', data)
    print('队首元素：', cseqQueue.peak())
    # 出队20
    data = cseqQueue.delete()
    print('出队的元素：', data)
    print('队首元素：', cseqQueue.peak())
    # 入队
    cseqQueue.enter(40)
    cseqQueue.enter(50)
    cseqQueue.enter(60)
    print('队首元素：', cseqQueue.peak())

链式队列的实现

  • 结点设置：与单链表一致，包括数据域data与指针域next。
  • 链式队列示意图
    在这里插入图片描述
  • 代码实现
class Node:
    """
    定义链式队列结点
    """
    def __init__(self, data):
        # 数据域
        self.data = data
        # 指针域
        self.next = None

链式队列的初始化

  • 初始化
    def __init__(self):
        """
        链式队列初始化
        """
        # 队首结点指向None
        self.front = Node(None)
        # 队尾指针指向队首
        self.rear = self.front
  • 是否为空
    def isEmpty(self):
        """
        判断是否为空
        :return: true or false
        """
        return self.front == self.rear

入队

  • 核心思想
    • 队尾的next指针指向新结点
    • 队尾指针指向新结点
  • 入队示意图
    在这里插入图片描述
  • 代码实现
    def enter(self, data):
        """
        入队
        :param data: 入队元素值
        """
        # 创建新结点
        newNode = Node(data)
        self.rear.next = newNode
        self.rear = newNode

出队

  • 核心思想
    • 检查队列是否为空
    • 保留队首结点
    • 将队首结点的next指针指向队首结点的后继结点，实现删除
  • 出队示意图
    在这里插入图片描述
  • 代码实现
    def delete(self):
        """
        出队
        :return: 出队值
        """
        # 队列为空
        if self.isEmpty():
            raise IndexError('队列为空')
        else:
            node = self.front.next
            # 队首结点的next指向队首结点的后继结点
            self.front.next = node.next
            # 返回出队结点
            return node

获取队首元素

    def peak(self):
        """
        获取队首元素
        :return: 队首元素
        """
        # 队列为空
        if self.isEmpty():
            raise IndexError('队列为空')
        else:
            # 返回队首元素
            return self.front.next.data

链式队列总代码与调试

# 链式队列
class Node:
    """
    定义链式队列结点
    """
    def __init__(self, data):
        # 数据域
        self.data = data
        # 指针域
        self.next = None

class LinkedQueue:
    """
    链式队列定义
    """
    def __init__(self):
        """
        链式队列初始化
        """
        # 队首结点指向None
        self.front = Node(None)
        # 队尾指针指向队首
        self.rear = self.front

    def isEmpty(self):
        """
        判断是否为空
        :return: true or false
        """
        return self.front == self.rear

    def enter(self, data):
        """
        入队
        :param data: 入队元素值
        """
        # 创建新结点
        newNode = Node(data)
        self.rear.next = newNode
        self.rear = newNode

    def delete(self):
        """
        出队
        :return: 出队值
        """
        # 队列为空
        if self.isEmpty():
            raise IndexError('队列为空')
        else:
            node = self.front.next
            # 队首结点的next指向队首结点的后继结点
            self.front.next = node.next
            # 返回出队结点
            return node

    def peak(self):
        """
        获取队首元素
        :return: 队首元素
        """
        # 队列为空
        if self.isEmpty():
            raise IndexError('队列为空')
        else:
            # 返回队首元素
            return self.front.next.data


if __name__ == '__main__':

    print('PyCharm')
    # 12.链式队列
    linkedQueue = LinkedQueue()
    # 入队
    linkedQueue.enter('A')
    linkedQueue.enter('B')
    linkedQueue.enter('C')
    print('输出队首元素：', linkedQueue.peak())
    # 出队
    node = linkedQueue.delete()
    print('出队元素：', node.data)
    node = linkedQueue.delete()
    print('出队元素：', node.data)
    print('输出队首元素：', linkedQueue.peak())

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