啟迪思維：循環順序隊列

　　前幾天和女朋友一起參加一個技術沙龍，走到地鐵又想到自己的疑問，為啥很大多數電梯只有向上的電梯，而沒有向下的；以前想過各種解釋(節約成本、基於安全考慮等等)，女朋友說因為向上的電梯都離開地鐵，設計有電梯可以讓人快點離開，向下是進入地鐵，沒有電梯是讓人慢點進入地鐵，這樣的設計一定程度緩解地鐵人流量壓力。覺得是目前我想過和聽過最合理的解釋，也許有一天會有更合理的解釋，每一次的思考都會離真理更近，沒事多思考，突然有天想通一個困擾你很久的問題，真的很幸福。

一：概念

　　隊列，又稱為佇列（queue），是先進先出（FIFO, First-In-First-Out）的線性表。在具體應用中通常用鏈表或者數組來實現。隊列只允許在后端（稱為rear）進行插入操作，在前端（稱為front）進行刪除操作。

　　隊列的操作方式和堆棧類似，唯一的區別在於隊列只允許新數據在后端進行添加，還在需要考試的鞋童有事沒事看看概念(免得被考試鄙視了)，已經在寫代碼的鞋童多想想為什么下面代碼會這樣寫，或者想想有沒有更好實現方式。

二：示例圖

 

三：棧的應用

1、操作系統底層消息實現

2、舞伴問題

3、迷宮問題

四：代碼分析

　　順序隊列示例圖所示，分為普通順序存儲和循環存儲，普通順序存儲節點出隊后，其所占空間無法再次利用，導致浪費空間，為充分利用存儲空間，克服"假溢出"現象將存儲空間想象為一個首尾相接的圓環。下面代碼分析為循環存儲

1、入隊節點

入隊列示例圖如下：

 代碼分析如下： 

/**
 *元素入隊列
 */
void EnQueue(const T &e){

    //判斷隊列是否已經滿，如果慢，則自動增長空間為原來的2倍
    if(IsFull()){
        //創建一個新的指針數組
        T *newBase = new T[size*2];
        //復制原空間的數據到新創建空間
        memcpy(newBase,base,sizeof(base)+1);
        //這種刪除內存很危險，更多請參考boost里shared_array
        delete[] base;
        //指向新空間
        base = newBase;

        //初始化隊頭下標
        front = 0;
        //初始化隊尾下標
        rear = size -1;
        //更新隊列大小
        size = size * 2;
    }
    //元素入隊尾
    *(base + rear) = e;
    //改變隊尾下標，看不懂下面表達式，可以用特例帶入推理下，或者多幾個圖試試
    rear = ++rear % size;
}

2、出隊節點

出隊列示例圖如下：

 代碼分析如下：

/**
 *元素出隊列
 */
bool DeQueue(T &e){
    //判斷是否為空
    if(IsEmpty()){
        return false;
    }
    //取出隊頭元素
    e = *(base + front);
    //改變隊頭下標
    front = ++front % size;

    return true;
}

3、清空隊列

//清空隊列
void Clear(){
    //如果不等空，則初始化front，rear
    if(!IsEmpty()){
        //保證比較好縮進和空格，可以讓代碼跟美觀和易閱讀，慢慢就能玩好程序藝術
        front = rear = 0;
    }
}

4、判斷是否為空

/**
 *判斷隊列是否為空
 */
bool IsEmpty() const {
    return front == rear;
}

5、判斷隊列是否滿

/**
 *判斷隊列是否已經滿
 *要是春節火車站有這個判斷該有多好，不知道效率會高多少倍
 */
bool IsFull() const {
    //關於(rear + 1) % size == front這個表達式看不懂沒有關系,
    //比如size = 5，front = 0，那么rear = 4，則隊列滿
    //比如size = 5，front = 1，那么rear = 0(這個地方什么等於1，參考EnQueue方法)，則隊列滿
    //在很多看不懂算法，可以用帶入特例，幫忙我們更好理解
    return (rear + 1) % size == front;
}

6、獲取隊頭元素

/**
 *獲取隊列頭元素
 */
bool GetFront(T &e) const {
    //如果隊列為空，則不處理
    if(IsEmpty()){
        return false;
    }

    //直接獲取隊列頭元素，如果對*(base + front);有疑惑請學習指針、數組、指針數組
    e = *(base + front);
    return true;
}

7、計算隊列大小

/**
 *計算隊列大小
 */
int GetSize() const {
    return rear - front;
}

8、完整代碼

ArrayQueue.h: 

/*
 * ArrayQueue.h
 *
 *  Created on: May 16, 2013
 *      Author: sunysen
 */

#ifndef ARRAYQUEUE_H_
#define ARRAYQUEUE_H_

/**
 *循環順序隊列實現代碼
 */
template <class T>
class ArrayQueue{
private:
    int size;//隊列大小
    int front;//隊列下標
    int rear;//隊尾下標
    T *base;//元素存儲空間
public:
    /**
     * 構造函數和初始化列表
     * explicit  只對構造函數起作用，用來抑制隱式轉換
     * 想要用C++寫出高效的代碼，需要我們了解編譯器為我們寫代碼做哪些轉換
     * 比如(對象如何初始化，銷毀，為啥不能根據返回值內型不通做重載，
     * 一個cpp文件修改，包含這個cpp文件都需要重新編譯等等)
     * 在這方面我也是菜鳥，想了解跟多，可以讀下<<深度探索C++對象模型>>
     */
    explicit ArrayQueue(int k):size(k),front(0),rear(0),base(new T[k]){
    }
    /**
     *析構函數
     */
    ~ArrayQueue(){
        //這種刪除內存很危險，更多請參考boost里shared_array
        //專家都建議，在實際開發中盡量少用數組，用vector代替
        delete[] base;
    }
    /**
     *判斷隊列是否為空
     */
    bool IsEmpty() const {
        return front == rear;
    }

    /**
     *計算隊列大小
     */
    int GetSize() const {
        return rear - front;
    }

    /**
     *獲取隊列頭元素
     */
    bool GetFront(T &e) const {
        //如果隊列為空，則不處理
        if(IsEmpty()){
            return false;
        }

        //直接獲取隊列頭元素，如果對*(base + front);有疑惑請學習指針、數組、指針數組
        e = *(base + front);
        return true;
    }

    /**
     *判斷隊列是否已經滿
     *要是春節火車站有這個判斷該有多好，不知道效率會高多少倍
     */
    bool IsFull() const {
        //關於(rear + 1) % size == front這個表達式看不懂沒有關系,
        //比如size = 5，front = 0，那么real = 4，則隊列滿
        //比如size = 5，front = 1，那么real = 0(這個地方什么等於1，參考EnQueue方法)，則隊列滿
        //在很多看不懂算法，可以用帶入特例，幫忙我們更好理解
        return (rear + 1) % size == front;
    }

    //清空隊列
    void Clear(){
        //如果不等空，則初始化front，rear
        if(!IsEmpty()){
            //保證比較好縮進和空格，可以讓代碼跟美觀和易閱讀，慢慢就能玩好程序藝術
            front = rear = 0;
        }
    }

    /**
     *元素入隊列
     */
    void EnQueue(const T &e){

        //判斷隊列是否已經滿，如果慢，則自動增長空間為原來的2倍
        if(IsFull()){
            //創建一個新的指針數組
            T *newBase = new T[size*2];
            //復制原空間的數據到新創建空間
            memcpy(newBase,base,sizeof(base)+1);
            //這種刪除內存很危險，更多請參考boost里shared_array
            delete[] base;
            //指向新空間
            base = newBase;

            //初始化隊頭下標
            front = 0;
            //初始化隊尾下標
            rear = size -1;
            //更新隊列大小
            size = size * 2;
        }
        //元素入隊尾
        *(base + rear) = e;
        //改變隊尾下標，看不懂下面表達式，可以用特例帶入推理下，或者多幾個圖試試
        rear = ++rear % size;
    }
    /**
     *元素出隊列
     */
    bool DeQueue(T &e){
        //判斷是否為空
        if(IsEmpty()){
            return false;
        }
        //取出隊頭元素
        e = *(base + front);
        //改變隊頭下標
        front = ++front % size;

        return true;
    }
    /**
     * 測試隊列所有的方法
     */
    void test(){
        std::cout<<"-----------EnQueue queue begin------------"<<std::endl;
        for(size_t i = 1; i < 5; ++i){
            EnQueue(i);
        }
        std::cout<<"-----------EnQueue queue end------------"<<std::endl;

        std::cout<<"frist queue length="<<GetSize()<<std::endl;

        std::cout<<"-----------GetFront queue begin------------"<<std::endl;
        bool isFront = false;
        T ee;
        isFront = GetFront(ee);
        if(isFront){
            std::cout<<"ee is value = "<<ee<<"\n";
        }else{
            std::cout<<"ee is value = empty"<<"\n";
        }
        std::cout<<"-----------GetFront queue end------------"<<std::endl;

        std::cout<<"-----------DeQueue queue begin------------"<<std::endl;

        T e;
        for(size_t i = 1; i < 5; ++i){
            DeQueue(e)    ;
            std::cout<<"e is value = "<<e<<"\n";
        }
        std::cout<<"-----------DeQueue queue end------------"<<std::endl;

        std::cout<<"secend queue size="<<GetSize()<<std::endl;
        Clear();

        std::cout<<"-----------GetFront queue begin------------"<<std::endl;
        T eee;
        isFront = GetFront(eee);
        if(isFront){
            std::cout<<"eee is value = "<<eee<<"\n";
        }else{
            std::cout<<"eee is value = empty"<<"\n";
        }
        std::cout<<"-----------GetFront queue end------------"<<std::endl;

        std::cout<<"third queue size="<<GetSize()<<std::endl;
    }

};

#endif /* ARRAYQUEUE_H_ */

 Common.h:

/*
 * Common.h
 *
 *  Created on: May 17, 2012
 *      Author: sunysen
 */

#ifndef COMMON_H_
#define COMMON_H_

#include <iostream>
#include "memory"
#include "string"
#include "string.h"
#include <math.h>
#include "core/node/LNode.h"


using namespace std;
#endif /* COMMON_H_ */

9、運行結果

 測試隊列完整代碼：

/**
 * 測試隊列所有的方法
 */
void test(){
    std::cout<<"-----------EnQueue queue begin------------"<<std::endl;
    for(size_t i = 1; i < 5; ++i){
        EnQueue(i);
    }
    std::cout<<"-----------EnQueue queue end------------"<<std::endl;

    std::cout<<"frist queue length="<<GetSize()<<std::endl;

    std::cout<<"-----------GetFront queue begin------------"<<std::endl;
    bool isFront = false;
    T ee;
    isFront = GetFront(ee);
    if(isFront){
        std::cout<<"ee is value = "<<ee<<"\n";
    }else{
        std::cout<<"ee is value = empty"<<"\n";
    }
    std::cout<<"-----------GetFront queue end------------"<<std::endl;

    std::cout<<"-----------DeQueue queue begin------------"<<std::endl;

    T e;
    for(size_t i = 1; i < 5; ++i){
        DeQueue(e)    ;
        std::cout<<"e is value = "<<e<<"\n";
    }
    std::cout<<"-----------DeQueue queue end------------"<<std::endl;

    std::cout<<"secend queue size="<<GetSize()<<std::endl;
    Clear();

    std::cout<<"-----------GetFront queue begin------------"<<std::endl;
    T eee;
    isFront = GetFront(eee);
    if(isFront){
        std::cout<<"eee is value = "<<eee<<"\n";
    }else{
        std::cout<<"eee is value = empty"<<"\n";
    }
    std::cout<<"-----------GetFront queue end------------"<<std::endl;

    std::cout<<"third queue size="<<GetSize()<<std::endl;
}

運行結果如圖：

五：環境

1、運行環境：Ubuntu 10.04 LTS+VMware8.0.4+gcc4.4.3；

2、開發工具：Eclipse+make

六：題記

1、上面的代碼難免有bug，如果你發現代碼寫的有問題，請你幫忙指出，讓我們一起進步，讓代碼變的更漂亮和更健壯；

2、我自己能手動寫上面代碼，離不開郝斌、高一凡、侯捷、嚴蔚敏等老師的書籍和視頻指導，在這里感謝他們；

3、鼓勵自己能堅持把更多數據結構方面的知識寫出來，讓自己掌握更深刻，也順便冒充下"小牛"；

4、運行上面的代碼還需要在包含一個公共的頭文件(Common.h)；

 

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