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queues翻译中文(排队:队列数据结构的应用与实现)

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排队:队列数据结构的应用与实现

队列定义及基本操作

队列(Queue)是一种线性数据结构,其特点是只允许在表的一端进行插入,另一端进行删除。这一端允许插入的为队尾(rear/tail),另一端允许删除的为队头(front/head)。因此,队列有先进先出(FIFO)的特性,类似于实际生活中排队的场景。对于队列,一般有以下几种基本操作:
  • 队列初始化
  • 入队(enqueue):在队尾插入项
  • 出队(dequeue):从队头删除项
  • 获取队头项(get_front):返回队头的值,但不删除
  • 获取队列长度(get_size)
  • 判断队列是否为空(is_empty)

队列在计算机中的应用

队列在计算机中广泛应用,例如:
  • 操作系统调度:多任务操作系统中通过队列实现进程的调度
  • 网络传输:TCP/IP协议中的数据包通过队列缓存并传送
  • 打印队列:计算机中通过队列缓存打印任务
  • 远程程序调用(RPC):客户端端请求RPC服务,服务端将请求加入队列并执行

队列的实现方式

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队列的实现方式主要有两种:数组实现与链表实现。下面分别介绍这两种实现方式。

数组实现

数组实现和栈的数组实现类似,但需要维护队列头(front)和队列尾(rear)指针。队列头指针指向队头元素,队列尾指针指向队尾元素的下一个位置。当队列非空时,其存储空间按元素顺序排列,但是在实际使用时,仅需要移动front和rear两个指针即可实现出队和入队操作,实现起来较为简单。然而,数组实现存在的问题是使用时需要预先设定队列大小,若队列元素达到了数组大小限制,则需要重新申请更大的数组空间,然后将原有元素移动到新的空间。这种情况下队列出队和入队操作的时间复杂度为O(n),而非O(1)。

链表实现

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链表实现不需要预先设定数组大小,因此在队列元素多时其优势比较明显。队列可以通过单向链表或双向链表实现,每个节点除了包含元素信息外,还需要维护一个指向下一个节点(单向)或下一个和上一个节点(双向)的指针。队列插入元素时,在链表末尾加入元素并更新尾节点。出队时,从链表头删除元素并更新头节点。因此,在链表实现中,队列的出队和入队操作时间复杂度均为O(1)。然而,链表实现也存在缺点,在访问某个元素时需要遍历整个链表,这会带来一定的开销。

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