数据结构:队列的介绍与实现(swift版)

什么是队列

顾名思义队列就是排成队的一列人或物。也就是生活中常见的排队,人们从队伍的尾部加入进来,当办好自己的事情后,从队伍的头部离开。先来排队的人办完事则可以先离开,每一个人都按照自己的位置排好队。
   在计算机中,队列与之类似,将数据按照队伍的方式有序排放,并且提供一种可以 先进先出 功能,因此,队列简单来说就是一种可以实现 先进先出 的数据存储结构,如图queue.001

队列的分类

队列可以分为2类,一种是链表为核心实现的链式队列,一种是数组为核心实现静态队列,而静态队列又必须为循环队列。这里只讨论以数组为核心实现的静态循环队列

queue.001.jpeg

队列的组成

由图queue.001我们可以看出,一个静态队列至少有3个组成部分,front指针(指向队列中第一个元素),rear指针(指向队列中最后一个元素的下一个元素),和一个存放元素的数组

向队列中增加和删除元素

假设我们有图queue.001的一个队列,里面存放了3个元素,分为别元素1,2,3,现在我们想删除元素,如何删除?
  由队列的组成定义可知,队列的插入和删除只能从尾部和头部进行,当我们想删除一个元素时,只能删除当前队列里的第一个元素。也就是front指针所指向的元素,然后将front所指向的位置向上移动一格。
  当我们想向队列插入元素,这里只能在尾部插入,先将元素插入rear所指向的下标处,再将rear向上移动一格,这样就实现了数据的插入。

queue.003.jpeg

为什么说静态队列必须是循环队列

queue.003演示了删除和插入元素。如果我们在这个队列的基础上再插入一个元素到下标为4的地方,那么rear将会再向上移动一格,如图quque.004,此时rear指向了数组之外,并且无法继续插入新的元素,以及无法判断队列是否已满,等等。如果,我们可以让插入元素y的时候,rear移动到下标为0处,那么很多问题得以解决,并且可以利用头部已经被删除的空间,这就是循环队列,如图queue.005

quque.004.jpeg
quque.005.jpeg

由图queue.005此时,在下标为4的地方插入新元素之后,rear移动到了下标为0处,这样我们可以通过不断的改变rearfront的位置,可以重复利用之前的存储空间,实现循环队列的操作。
  一般情况下,我们在使用数组的同时,一般空出一个存储空间不用,方便对队列是否已满进行判断。如图queue.005,此时队列已满,无法再增加新的元素。

队列的简单实现

声明一个队列类Qeueue,elemets存放元素的数组,frontrear分别表面队头和队尾的下标,队列被初始化之初,frontrear都指向下标为0处,此时front==rear这是一个空队列。

class Queue: NSObject {
    var elemets = Array(repeating: -1, count: 6)
    var front = 0 //下标为0处
    var rear = 0 //下标为0处
}

队列是否为空

func empty() -> Bool {
        if front == rear {
            return true
        }
        return false
    }

插入数据

    func en_queue(valule : Int) -> Bool {
        if full() {
            //队列已满,返回失败
            return false
        }
        //将待插入的值放到尾部rear下标处
        elemets[rear] = valule
        //移动rear下标,由于是循环队列,对数组的长度取余
        rear = (rear + 1) % elemets.count
        return true
    }

    func full() -> Bool {
        //如果,rear所指向的元素下一个元素为front的元素,则队列已满
        if (rear + 1) % elemets.count == front {
            return true
        }
        return false
    }

删除数据,出队

func out_queue() -> (result : Bool,value : Int) {
        if empty() {
            return (false,-1)
        }
        //返回删除的元素
        let value = elemets[front]
        //将front向后移动,由于是循环队列,对数组的长度取余
        front = (front + 1) % elemets.count
        return (true,value)
    }

最后我们增加一个遍历输出,以测试程序

func enumerateObjects() {
        var i = front
        while i != rear {
            print("元素的值为 \(elemets[i])");
            i = (i + 1) % elemets.count
        }
    }

测试一下程序

豆芽图片20161201140410883.png
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