队列 - 从零开始实现by C++
参考链接:数据结构探险—队列篇
数据结构太重要了,不学好是没法进行软件开发的。
C++写数据结构基本套路:一个.h文件写该数据结构类的接口;一个.cpp文件写接口的具体实现;一个main.cpp用于测试。
队列
队列的模型
想象一下现实生活中的队列,排队先入先出,不允许插队,队头先出,队尾进入。(应用:营业厅自动排号机)
队列的编程实现方式
环形队列,数组实现,静态的,事先确定队列容量,人为取余,循环利用数组资源。
普通队列,链表实现,动态的,有点浪费,因为插入删除只在队列头尾进行。
队列的基本元素
要操纵队列,必须要有一个数组(指针),队列长度,队列容量;然后用队列头和队列尾操纵队列。
环形队列中队列头和队列尾到底意味着什么?对尾指向最后一个元素的下一个位置。
队列的基本操作
创建队列,销毁队列,清空队列,队列判空,队列判满,队列长度;元素入队,元素出对,遍历队列
基本操作的实现
创建队列:构造函数实现,函数参数为队列容量;此步需要完成的任务:形成数组实体,即分配内存,将一些队列基本元素初始化。
销毁队列:析构函数实现,释放内存,指针置空。
清空队列:指针不动,基本元素初始化
队列判空:通过长度判断
队列判满:通过长度和容量判断
队列长度:直接返回
元素入队:判断能否插入,能则插入,更新队列基本信息(技巧)
元素出对:判断是否有东西可以删除,更新队列基本信息
遍历队列:循环,从头到尾,遍历(输出)
大部分的操作都是针对队列基本元素的,会利用和改变它。(所以用C++其实是简化了,只需考虑类内数据元素)
写一个大型的数据结构很难,很容易就会出现某些细小的错误,如果无法控制这些细小的错误,那等程序大起来之后,就很难很难找错和调试了。
C++实现步骤
- 首先,把上面的流程走一遍,做到心中有数。
- 设计队列的接口(建议写在一个单独文档里,以便随时查阅),先不谈具体实现;(照着抄很容易,关键要会默写)
- 实现,核心功能,创建,插入,删除,遍历显示,调试成功
- 补充其他核心功能
代码要写好,还真是太难了,首先要正确的命名,其次大小写还不能搞错,在使用的时候还要一一对应。
函数的返回值、函数名、参数等等,都不允许有错误。(很难一次性写好,在实现时慢慢修正)
初次亲手敲代码的体会:队列的代码量确实很少,接口20多行;实现80多行,测试20多行,根本就不算多;但是写起来还是感觉很难,之前敲书本上的单个例题,感觉还没什么难度;队列元素太多,基本的5个元素,操作太多,9个基本操作,操作之间部分依赖;我对C++的语法也不算太熟悉,有些卡顿;东西太多,太杂,名称太长,导致我眼花缭乱。
课程笔记
这是之前C++的进阶课,数据结构:一群数据以及数据之间的关系(集合+关系),数据结构是前人经验的总结,所以你学习借鉴就好了,不要钻牛角尖。
队列是先入先出的数学模型,队列中很少用到位序,因为只能对首尾进行操作,载入元素默认实在队尾,删除元素默认是在队头。
队列分为普通队列和环形队列
普通队列:分两种情况,一是队头离开,后面全部前移;二是队头离开,不移,往后继续排,这两种结果都不好
环形队列:充分利用资源,也不牺牲效率;队头队尾重叠只有两种情况,要么为空,要么为满。
队列的C和C++实现方式是大为不同的
在C++中,队列被写成了类,每一个具体队列都是该类的实例;而C语言中,只是简单定义了个结构体,C语言函数的参数中一定要含有队列的地址,而C++因为写在了类中,则不用传参数。
标准C++代码
#pragma once //MyQueue.h //环形队列C++实现 class MyQueue { public: MyQueue(int queueCapacity); //InitQueue(&Q)创建队列 virtual ~MyQueue(); //DestroyQueue(&Q)销毁队列 void ClearQueue(); //ClearQueue(&Q)清空队列 bool QueueEmpty() const; //QueueEmpty(&Q)判空队列 int QueueLength() const; //QueueLength(Q)队列长度 bool QueueFull() const; bool EnQueue(int element); //EnQueue(&Q, element)新元素入队 bool DeQueue(int &element); //DeQueue(&Q, &element)首元素出队 void QueueTraverse(); //QueueTraverse(Q, visit())遍历队列 private: int *m_pQueue; //队列数组数组 int m_iQueueLen; //队列元素个数 int m_iQueueCapacity; //队列数组容量 int m_iHead; int m_iTail; };
//MyQueue.cpp #include"MyQueue.h" #include<iostream> using namespace std; MyQueue::MyQueue(int queueCapacity) { m_iQueueCapacity = queueCapacity; m_iHead = 0; m_iTail = 0; m_iQueueLen = 0; m_pQueue = new int[m_iQueueCapacity]; } MyQueue::~MyQueue() { delete[]m_pQueue; m_pQueue = nullptr; } void MyQueue::ClearQueue() { m_iHead = 0; m_iTail = 0; m_iQueueLen = 0; } bool MyQueue::QueueEmpty() const { if (m_iQueueLen == 0) return true; else return false; } bool MyQueue::QueueFull() const { if (m_iQueueLen == m_iQueueCapacity) return true; else return false; } int MyQueue::QueueLength() const { return m_iQueueLen; } bool MyQueue::EnQueue(int element) { if (QueueFull()) return false; else { m_pQueue[m_iTail] = element; m_iTail++; m_iTail = m_iTail % m_iQueueCapacity; m_iQueueLen++; return true; } } bool MyQueue::DeQueue(int &element) { if (QueueEmpty()) return false; else { element = m_pQueue[m_iHead]; m_iHead++; m_iHead = m_iHead % m_iQueueCapacity; m_iQueueLen--; return true; } } void MyQueue::QueueTraverse() { for (int i = m_iHead; i < m_iQueueLen + m_iHead; i++) { cout << m_pQueue[i%m_iQueueCapacity] << endl; } }
//demo.cpp #include<iostream> #include"MyQueue.h" using namespace std; int main() { MyQueue *p = new MyQueue(4); p->EnQueue(1); p->EnQueue(0); p->EnQueue(11); p->QueueTraverse(); p->ClearQueue(); cout << "after clear: " << endl; p->QueueTraverse(); if (p->QueueEmpty()) cout << "Empty queue" << endl; else cout << "Not Empty" << endl; p->EnQueue(5); p->EnQueue(15); p->EnQueue(25); cout << p->QueueLength() << endl; int tmp; p->DeQueue(tmp); cout << "tmp is " << tmp << endl; cout << p->QueueLength() << endl; return 0; }
实际应用
节点的数据可以是任意类型的数据,ElemType为Customer
//Customer.h #pragma once #include <string> using namespace std; class Customer { public: Customer(string name = "", int age = 0); void printInfo() const; private: string m_strName; int m_iAge; };
//Customer.cpp #include<iostream> #include"Customer.h" using namespace std; Customer::Customer(string name, int age) { m_strName = name; m_iAge = age; } void Customer::printInfo() const { cout << "Name: " << m_strName << endl; cout << "Age: " << m_iAge << endl; cout << "=================" << endl; }
//demo.cpp #include<iostream> #include"MyQueue.h" using namespace std; int main() { MyQueue *p = new MyQueue(4); Customer c1("zhangsan", 20); Customer c2("lisi", 30); Customer c3("wangwu", 24); p->EnQueue(c1); p->EnQueue(c2); p->EnQueue(c3); p->QueueTraverse(); cout << endl; Customer c4; p->DeQueue(c4); cout << "this is c4: " << endl; c4.printInfo(); cout << "this is QueueTraverse: " << endl; p->QueueTraverse(); return 0; }
使用C++模板写一个队列