第五讲 队列(完成)

队列的实现及基本操作
队列用来保存按先进先出的原则存储的一组有限的数据元素并先进先出的方式依次处理，在应用中可以用来实现批处理、消息传递等等功能。

队列的实现
队列主要有顺序队列和循环队列两种具体实现形式，由数组实现时，有两种不同的实现：
* 顺序队列：即简单的顺序存储，用一组地址连续的存储单元依次保存队列中的数据元素，使用两个指针分别指向队首和队尾，但由于元素可能入队列时顺序存储存在空间不足的情况，因此顺序队列一般仅作学习用途，不具有实用性。

* 循环队列：采用用一组地址连续的存储单元以循环方式依次保存队列中的数据元素，两个指针分别指向队首和队尾，在入队和出队操作时，队首指针出队和队尾指针入队时可以重新指向下一个元素的位置，可以有效的利用存储单元存储元素，能够重复使用。

1. 队列的基本操作
队列分入队（EnQueue）和出队（DeQueue）两种操作：
* 入队：将新元素入队，如果队列不存在空间则返回失败，成功则返回成功。

* 出队：删除队列中的元素，如果队列为空则返回失败，成功则返回成功并删除该元素。

队列的应用
* 操作系统中的队列：操作系统中的队列可以用于实现任务调度、存储设备号）等多种功能
* 消息中间件中的队列：消息中间件中采用队列实现实现生产者消费者模型，生产者将数据以消息的形式发布到队列中，消费者在队列中取出并处理数据
* 缓存队列：缓存队列可以用来实现可靠消息服务，当生产者将消息发布到缓存队列中，而消费者因某种原因没有消费，可以将这类未消费的消息存入缓冲队列中，等消费者完成处理后再从缓冲队列中取出数据并处理。

数据结构队列队列（Queue）是一种线性数据结构，它按照“先进先出”的原则存储数据，类似于生活中排队等候的场景。

队列的特点是在一端添加数据，在另一端删除数据，数据的添加和删除操作的位置是固定的。

队列可以视为一个有限长度的数组，它有两个指针：一个指向队列的起始位置，称为队头（Front），另一个指向队列的结束位置，称为队尾（Rear）。

队列的关键操作有两个：入队（Enqueue）和出队（Dequeue），即向队列尾部添加元素和从队列头部删除元素。

队列的应用场景非常广泛，例如操作系统的进程调度、任务处理等。

下面将详细介绍队列的实现、应用以及常见的队列算法。

一、队列的实现队列可以通过数组和链表两种方式来实现。

1.使用数组实现队列使用数组实现队列的关键是确定起始位置和结束位置的指针。

通常可以使用两个变量front和rear来表示队头和队尾的下标。

入队操作时，首先判断队列是否已满（rear是否达到数组的尾部），如果已满则表示队列已满，否则将元素添加到rear的位置，并将rear指针后移一位。

出队操作时，首先判断队列是否为空（front是否等于rear），如果为空则表示队列为空，否则将front指针后移一位，并返回front指针对应的元素。

使用数组实现队列的缺点是队列的大小固定，一旦数组大小被占满，无法继续添加元素。

2.使用链表实现队列使用链表实现队列的核心是定义一个包含数据和指向下一个节点的指针的节点结构，通过调整指针的指向来实现入队和出队操作。

入队操作时，首先创建一个新的节点，将数据存储到节点中，然后将节点插入到链表的尾部。

出队操作时，将头节点删除，并返回头节点中的数据值。

链表实现队列的优点是队列的大小可以动态调整，没有固定的限制。

二、队列的应用1.操作系统中的进程调度：操作系统使用队列数据结构来管理系统中的进程，根据进程的优先级将其添加到合适的队列中，然后按照优先级依次从队列中获取进程执行。

3.阻塞队列：阻塞队列是一种特殊的队列，当队列为空时，获取线程会被阻塞，直到队列中有数据；当队列已满时，插入线程会被阻塞，直到队列有空余位置。

数据结构Chap5 queue在计算机科学中，数据结构是组织和存储数据的方式，以便能够有效地进行操作和访问。

而队列（queue）作为一种常见的数据结构，在许多程序和算法中都发挥着重要的作用。

想象一下，在生活中我们去银行办理业务，人们会排成一列队伍，先到的先办理，后来的依次排队等待。

队列的工作方式就类似于这样的排队场景。

队列遵循着“先进先出”（First In First Out，简称 FIFO）的原则。

这意味着，最先进入队列的元素将最先被取出。

就好像在银行排队中，最早到达的人会最先得到服务并离开队伍。

队列有两个主要的操作：入队（enqueue）和出队（dequeue）。

入队是将元素添加到队列的末尾，而出队则是从队列的前端移除元素。

为了实现一个队列，我们可以使用数组或者链表。

如果使用数组来实现队列，我们需要确定队列的前端和后端的位置。

通常，我们会用一个变量来记录前端的位置，用另一个变量来记录后端的位置。

当进行入队操作时，如果后端到达了数组的末尾，我们可能需要进行一些特殊的处理，比如将元素重新放置到数组的开头，以实现循环队列的效果。

链表实现队列则相对灵活一些。

每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。

入队时，我们在链表的末尾添加新节点；出队时，我们删除链表的头节点。

队列在计算机科学中有广泛的应用。

比如，操作系统中的任务调度常常使用队列来管理等待执行的任务。

新的任务被放入队列，而处理器会按照队列的顺序依次处理任务。

在网络通信中，数据包的传输也可能用到队列。

当网络拥塞时，数据包会被暂时存储在队列中，等待有可用的带宽时再进行传输。

在程序设计中，我们可以使用队列来实现广度优先搜索算法。

在这种算法中，我们从起始节点开始，依次将相邻的未访问节点放入队列，然后按照队列的顺序逐个访问这些节点。

再举个例子，打印队列也是队列的常见应用场景。

多个用户向打印机发送打印任务，这些任务会按照发送的顺序排队等待打印。

总之，队列是一种简单但非常实用的数据结构。

第五讲火车过桥问题【导学】一：火车过桥问题火车过桥问题是行程问题的一种，除了包含路程、速度与时间之间的数量关系之外，同时还涉及车长、桥长等问题。

基本数量关系是：火车速度×时间＝车长＋桥长火车在行驶中，经常发生完全过桥、完全在桥、火车与人相遇、火车与人以及火车和火车之间的相遇、追及等这几种类型的题目，在分析题目的时候一定得结合着图来进行。

常用结论：1、火车和桥完全过桥时：路程＝桥长＋车长完全在桥时：路程＝桥长－车长2、火车和人①火车和人相遇：路程和＝车长②火车和人追及：路程差＝车长3、火车和火车①错车：错车相当于火车与火车相遇，路程和＝两车车长和②超车：超车相当于快车追及慢车，又分为齐头追车和齐尾追车。

【例题】1：一列客车经过南京长江大桥，大桥长6700米，这列客车长100米，每分钟行400米，这列客车经过长江大桥需要多少分钟？练习1：一列火车全长265米，每秒行驶25米，全车要通过一座985米长的大桥，问需要多少秒钟？练习2：一列火车长600米,它以每秒10米的速度穿过长200米的隧道,从车头进入隧道到车尾离开隧道共需多少时间?作业：1、一列火车长150米，每秒钟行19米，全车通过420米的大桥，需要多少时间？2、一列火车长200米,它以每秒10米的速度穿过200米长的隧道,从车头进入隧道到车尾离开隧道共需要多长时间？3、一列货车共50节，每节车身长30米，两节车间隔长1.5米，这列货车平均每分钟前进1000米，要穿过1426.5米的山洞，需要多少分钟？【例题】2：一列火车长160米，全车通过440米的桥需要30秒钟。

这列火车每秒行多少米？练习1：一列长50米的火车，穿过200米长的山洞用了25秒钟，这列火车每秒行多少米？【例题】3：一列长240米的火车以每秒30米的速度过一座桥，从车头上桥到车尾离桥用了1分钟，求这座桥长多少米？【例题】4：连续过两个隧道某列火车通过360米的第一个隧道用了24秒钟，接着通过第二个长216米的隧道用了16秒钟，这列火车的长度是多少米？练习1：某列火车通过342米的隧道用了23秒，接着通过234米的隧道用了17秒，这列火车的长度是多少米？练习2：一列货车全长240米，每秒行驶15米，全车连续通过一条隧道和一座桥，共用40秒钟，桥长150米，问这条隧道长多少米？练习3：一列火车通过一座长530米的桥需40秒钟，以同样的速度穿过380米的山洞需30秒钟，求这列火车的速度与车身的长度。

队列的实现原理与应用一、队列的概念和基本操作队列（Queue）是一种先进先出（FIFO）的数据结构，它只允许在一端进行插入操作，在另一端进行删除操作。

队列的插入操作称为入队（enqueue），删除操作称为出队（dequeue）。

队列的基本操作包括： - 入队（enqueue）：将元素插入队列的末尾； - 出队（dequeue）：从队列的头部删除一个元素，并返回该元素； - 获取队列长度（size）：返回队列中元素的个数； - 获取队列头部元素（front）：返回队列头部的元素，但不删除该元素； - 判断队列是否为空（isEmpty）：如果队列中没有元素，返回True，否则返回False。

二、队列的实现方式队列可以使用多种数据结构来实现，常见的实现方式有数组和链表。

这里介绍两种常见的队列实现方式。

1. 数组实现队列数组实现队列需要两个指针，一个指向队列头部，一个指向队列尾部。

在入队时，将元素插入到队列末尾，并更新尾部指针；在出队时，从队列头部删除一个元素，并更新头部指针。

class ArrayQueue:def__init__(self):self.queue = []def enqueue(self, element):self.queue.append(element)def dequeue(self):if self.isEmpty():return Nonereturn self.queue.pop(0)def size(self):return len(self.queue)def front(self):if self.isEmpty():return Nonereturn self.queue[0]def isEmpty(self):return len(self.queue) ==02. 链表实现队列链表实现队列需要两个指针，一个指向队列头部，一个指向队列尾部。

在入队时，将元素插入到链表末尾，并更新尾部指针；在出队时，从队列头部删除一个元素，并更新头部指针。

队列教学大纲队列教学大纲一、引言队列是计算机科学中的一种重要数据结构，它具有先进先出（FIFO）的特性，被广泛应用于各种算法和程序设计中。

本文将探讨队列的基本概念、应用场景以及队列教学的重要性。

二、队列的基本概念1. 队列的定义：队列是一种线性数据结构，它只允许在一端进行插入操作（入队），在另一端进行删除操作（出队）。

2. 队列的特点：先进先出（FIFO）的原则，即先入队的元素先出队。

3. 队列的实现方式：可以使用数组或链表来实现队列。

4. 队列的基本操作：入队、出队、获取队头元素、判断队列是否为空等。

三、队列的应用场景1. 消息队列：在分布式系统中，消息队列常用于解耦和异步处理，实现高效的消息传递。

2. 任务调度：队列可以用于任务的排队和调度，保证任务按照一定的顺序执行。

3. 广度优先搜索：在图的遍历中，广度优先搜索常用队列来实现，保证按层级遍历。

4. 缓冲区：队列可以用于实现缓冲区，对输入和输出进行缓冲，提高系统的响应速度。

5. 操作系统调度：操作系统中的进程调度、磁盘调度等都可以使用队列进行管理。

四、队列教学的重要性1. 培养逻辑思维：队列的概念和操作涉及到先进先出的原则，培养学生的逻辑思维能力和抽象问题解决能力。

2. 提高编程能力：队列是程序设计中常用的数据结构，学习队列可以提高学生的编程能力和算法设计能力。

3. 培养团队合作精神：队列的应用场景常常涉及到多个元素的协同工作，学习队列可以培养学生的团队合作精神和沟通能力。

4. 培养问题解决能力：队列教学可以通过实际问题的解决来培养学生的问题解决能力和创新思维。

五、队列教学的内容安排1. 队列的基本概念和操作：包括队列的定义、特点、实现方式以及基本操作的介绍和实现。

2. 队列的应用场景：介绍队列在实际问题中的应用场景，如消息队列、任务调度等，并通过案例进行讲解。

3. 队列的算法设计：介绍队列相关的算法设计，如广度优先搜索等，并通过实例进行讲解和练习。

第五讲 方阵问题学生排队，士兵列队，横着排叫做行，竖着排叫做列．如果行数与列数都相等，则正好排成一个正方形，这种图形就叫方队，也叫做方阵．方阵包括：空心方阵（下右图）和实心方阵（下左图）．而实心方阵的每一层又可以单独看成一个空心方阵，因此空心方阵的规律对它也是适用的．方阵问题就是计算组成实心方阵、空心方阵的物体的个数。

弄清方阵中物体数量之间的关系对解答这类题是大有帮助的。

方阵的基本特点是：①实心方阵：总人（或物）数=每边人（或物）数×每边人（或物）数．②方阵不论在哪一层，每边上的人（或物）数量都相同．每向里一层，每边上的人数就少2，每层 总数就少8．③每边人（或物）数和每层总数的关系：每层总数=[每边人（或物）数-1]×4； 每边人（或物）数=每层总数÷4+1．例1 二年级舞蹈队为全校做健美操表演，组成一个正方形队列，后来由于表演的需要，又增加一行一列，增加的人数正好是17人，那么原来准备参加健美操表演的有多少人？分析与解：因增加的是一行一列，而行、列人数仍应相等，但为什么增加的却是17人，因有1人是既在他所在的行，又在他所在的列．若把它减掉，剩下人数恰是原两行或两列的人数，则原来一行或一列的人数可求．参加健美操表演的人数可求．列式： (171)21628-÷=÷= (人)，8864⨯=(人)．例2学生进行队列表演，排成了一个正方形队列，如果去掉一行一列，要去掉11人，问这个方阵共有多少人？分析与解：学生排成一正方形队列表演，去掉一行一列，去掉了11人，那我们就要思考每行去掉了几个同学，因为是正方形队列，所以每行每列人数一样多，但在数的时候，站在角落的同学被数了两个，那么现在求每行的人数时就要在11里面多加一个．现在每行的人数是：11126+÷=（）（人），共6636⨯=（人）．例3某校三年级学生排成一个方阵，最外一层的人数为36人，问方阵外层每边有多少人?这个方阵共有三年级学生多少人?分析与解：（法1）方阵外层每边有：（36+4）÷4=10（人）（人），共10×10=100（人）．（法2）方阵外层每边有：36÷4+1=10（人），共10×10=100（人）．例4小明在一个正方形的棋盘里摆棋子，他先把最外层摆满，用了40个棋子，求最外层每边有多少棋子？如果他要把整个棋盘摆满，还需要多少棋子？分析与解：首先根据“每边的个数＝总数÷4+1”求出每边的棋子数：40÷4+1=11（个），根据＂每向里一层每边棋子数减少2＂，求出最外面数的第二层中每边各有：11-2=9（个）棋子，利用求实心方阵总个数的方法就可以求出还需：9×9=81（个）棋子．例5用棋子摆成一个二层空心方阵，外层每边6个棋子，求这个二层空心方阵的棋子点数。

队列结构及其实现说课一、队列的定义队列是一种特殊的线性表，其特殊性在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作。

队列中没有元素时，称为空队列。

二、队列的特性队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构。

也就是说，最先进入队列的元素最先被删除。

三、队列的操作流程1. 入队操作：在队列的尾部添加元素。

2. 出队操作：删除队列的头部元素。

3. 队列翻转：将队列中的元素翻转。

4. 队列清空：删除队列中的所有元素。

四、队列的实现方式队列可以通过数组、链表等数据结构实现。

以下是一个基于链表的队列实现示例。

五、队列的应用场景1. 广度优先搜索（BFS）：广度优先搜索是一种遍历或搜索树或图的算法。

这个算法从根节点开始，探索所有邻居节点，然后对这些邻居节点的未探索的邻居节点进行探索，依此类推。

广度优先搜索使用队列来实现。

2. 多线程处理：在多线程环境中，可以使用队列来协调不同线程之间的任务和消息传递。

3. 事件驱动的系统：在事件驱动的系统中，可以使用队列来存储和处理事件。

例如，网络服务器可能会使用队列来处理到达的网络包。

4. 数据流处理：在处理大量数据流的情况下，可以使用队列来缓存数据并允许消费者线程以先进先出的顺序处理它们。

5. 缓存：队列可以作为缓存策略的一部分，保存待处理的任务或数据。

6. 生产者-消费者问题：这是一个常见的并发问题，生产者产生数据放入队列，消费者从队列取出数据。

7. 任务调度：可以使用队列来实现任务调度，例如在操作系统中。

8. 事件驱动的编程：在事件驱动的编程中，可以使用队列来存储事件或消息。

9. 缓冲：队列可以作为缓冲区，以防止生产者和消费者之间的速率差异过大。

10. 在线分析处理（OLAP）：在在线分析处理中，可以使用队列来处理和分析大量数据。

11. 异步编程：在异步编程中，可以使用队列来管理异步任务和事件。

12. 游戏开发：在游戏开发中，可以使用队列来处理动画、粒子效果、AI 计算和其他需要按顺序执行的任务。