Task04：队列（2天）

队列也是我们经常使用的一种数据结构，如下图所示，购物结账，去食堂打饭等都需要排队，而结账或打饭的顺序与我们排队的顺序是相同的，即谁先排队就为谁先服务。

比如我们发送邮件、打印资料，这些都是队列的具体应用。我们把需要发送的邮件先放到发送队列中，然后按照放入的顺序进行发送，把需要打印的文件先放到打印队列中，然后按照放入的顺序进行打印。下面我们就来详细介绍“队列”这种数据结构。

1. 队列的定义与操作

1.1 队列的定义

插入（入队）在一端（队尾）进行而删除（出队）在另一端（队首）进行的线性表。即先进先出（First In First Out）的线性表。

例1 ：线性表a0,a1,...,an入队与出队演示。

如上所示，队列也存在两种实现方式，这两种实现方式的对比已经在栈与递归部分进行了解释，在这里就不再赘述了。

1.2 队列的操作

入队操作：将数据元素插入队尾。
出队操作：移除队首的数据元素。
是否为空：判断队中是否包含数据元素。
得到队长：获取队中实际包含数据元素的个数。
清空操作：移除队中的所有数据元素。
获取队首元素。

using System;namespace LinearStruct
{/// <summary>/// 队列的抽象数据类型/// </summary>/// <typeparam name="T">队列中元素的类型</typeparam>public interface IQueue<T> where T : IComparable<T>{/// <summary>/// 获取队列中实际包含元素的个数/// </summary>int Length { get; }/// <summary>/// 获取队首元素/// </summary>T QueueFront { get; }/// <summary>/// 数据元素入队/// </summary>/// <param name="data">要入队的元素</param>void EnQueue(T data);/// <summary>/// 数据元素出队/// </summary>void DeQueue();/// <summary>/// 判断队列中是否包含元素/// </summary>/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>bool IsEmpty();/// <summary>/// 从队列中移除所有元素/// </summary>void Clear();}
}

2. 队列的存储与实现

2.1 顺序存储

顺序队列

顺序队列：（Sequence Queue）：利用顺序表实现的队列。

实现：

using System;namespace LinearStruct
{/// <summary>/// 用顺序存储结构实现的队列--顺序队列/// </summary>/// <typeparam name="T">顺序队列中元素的类型</typeparam>public class SeqQueue<T> : IQueue<T> where T : IComparable<T>{private readonly SeqList<T> _lst;/// <summary>/// 初始化SeqQueue类的新实例/// </summary>/// <param name="max">SeqQueue中最多包含元素的个数</param>public SeqQueue(int max){if (max <= 0)throw new ArgumentOutOfRangeException();_lst = new SeqList<T>(max);}/// <summary>/// 获取SeqQueue中最多包含元素的个数/// </summary>public int MaxSize{get { return _lst.MaxSize; }}/// <summary>/// 获取SeqQueue中实际包含元素的个数/// </summary>public int Length{get { return _lst.Length; }}/// <summary>/// 获取SeqQueue中的队首元素/// </summary>public T QueueFront{get{if (_lst.IsEmpty())throw new Exception("队列为空,不能得到队首元素.");return _lst[0];}}/// <summary>/// 数据元素入队/// </summary>/// <param name="data">要入队的元素</param>public void EnQueue(T data){if (_lst.Length == _lst.MaxSize)throw new Exception("队列已满,不能入队.");_lst.Insert(_lst.Length, data);}/// <summary>/// 数据元素出队/// </summary>public void DeQueue(){if (_lst.IsEmpty())throw new Exception("队列为空,不能出队.");_lst.Remove(0);}/// <summary>/// 判断队列中是否包含元素/// </summary>/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>public bool IsEmpty(){return _lst.IsEmpty();}/// <summary>/// 从队列中移除所有元素/// </summary>public void Clear(){_lst.Clear();}}
}

循环队列

循环队列（Circular Sequence Queue）：利用数组采用循环的方式实现的队列。

实现：

using System;namespace LinearStruct
{/// <summary>/// 用顺序存储结构实现的队列--循环队列/// </summary>/// <typeparam name="T">循环队列中元素的类型</typeparam>public class CSeqQueue<T> : IQueue<T> where T : IComparable<T>{private int _pFront;private int _pRear;private readonly T[] _dataset;/// <summary>/// 获取CSeqQueue中实际包含元素的个数/// </summary>public int Length { get; private set; }/// <summary>/// 获取CSeqQueue中最多包含元素的个数/// </summary>public int MaxSize { get; }/// <summary>/// 获取CSeqQueue中的队首元素/// </summary>public T QueueFront{get{if (Length == 0)throw new Exception("队列为空不能得到队首元素.");return _dataset[_pFront];}}/// <summary>/// 初始化CSeqQueue类的新实例/// </summary>/// <param name="max">CSeqQueue中最多包含元素的个数</param>public CSeqQueue(int max){if (max <= 0)throw new ArgumentOutOfRangeException();MaxSize = max;Length = 0;_dataset = new T[MaxSize];_pFront = 0;_pRear = 0;}/// <summary>/// 数据元素入队/// </summary>/// <param name="data">要入队的元素</param>public void EnQueue(T data){if (Length == MaxSize)throw new Exception("队列已满,不能入队.");_dataset[_pRear] = data;_pRear = (_pRear + 1)%MaxSize;Length++;}/// <summary>/// 数据元素出队/// </summary>public void DeQueue(){if (Length == 0)throw new Exception("队列为空,不能出队.");_pFront = (_pFront + 1)%MaxSize;Length--;}/// <summary>/// 判断队列中是否包含元素/// </summary>/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>public bool IsEmpty(){return Length == 0;}/// <summary>/// 从队列中移除所有元素/// </summary>public void Clear(){_pFront = 0;_pRear = 0;Length = 0;}}
}

2.2 链式存储（链队）

链队：利用单链表实现的队列。

实现：

using System;namespace LinearStruct
{/// <summary>/// 用链式存储结构实现的队列/// </summary>/// <typeparam name="T">队列中元素的类型</typeparam>public class LinkQueue<T> : IQueue<T> where T : IComparable<T>{private readonly SLinkList<T> _lst;/// <summary>/// 获取LinkQueue中实际包含元素的个数/// </summary>public int Length{get { return _lst.Length; }}/// <summary>/// 获取LinkQueue中的队首元素/// </summary>public T QueueFront{get{if (_lst.IsEmpty())throw new Exception("队列为空,不能取队首元素.");return _lst[0];}}/// <summary>/// 初始化LinkQueue类的新实例/// </summary>public LinkQueue(){_lst = new SLinkList<T>();}/// <summary>/// 数据元素入队/// </summary>/// <param name="data">要入队的元素</param>public void EnQueue(T data){_lst.InsertAtRear(data);}/// <summary>/// 数据元素出队/// </summary>public void DeQueue(){if (_lst.IsEmpty())throw new Exception("队列为空,不能出队.");_lst.Remove(0);}/// <summary>/// 判断队列中是否包含元素/// </summary>/// <returns>如果包含元素返回false,否则返回true.</returns>public bool IsEmpty(){return _lst.IsEmpty();}/// <summary>/// 从队列中移除所有元素/// </summary>public void Clear(){_lst.Clear();}}
}

3. 练习参考答案

1. 模拟银行服务的程序代码

以下代码为C#版本：

表示银行队列的接口

using LinearStruct;namespace BankQueue
{public interface IBankQueue : IQueue<int>{/// <summary>/// 获得服务号码/// </summary>/// <returns>服务号码</returns>int GetCallnumber();int MaxSize { get; }}
}

利用链式存储结构存储银行队列

using LinearStruct;namespace BankQueue
{public class LinkBankQueue : LinkQueue<int>, IBankQueue{public int Callnumber { get; private set; }public int MaxSize { get; }public int GetCallnumber(){if (IsEmpty() && Callnumber == 0){Callnumber = 1;}else{Callnumber++;}return Callnumber;}public LinkBankQueue(){MaxSize = default(int);Callnumber = 0;}}
}

利用顺序存储结构存储银行队列

using LinearStruct;namespace BankQueue
{public class CSeqBankQueue : CSeqQueue<int>, IBankQueue{public int Callnumber { get; private set; }public CSeqBankQueue(int size) : base(size){Callnumber = 0;}public int GetCallnumber(){if (IsEmpty() && Callnumber == 0){Callnumber = 1;}else{Callnumber++;}return Callnumber;}}
}

服务窗口

using System;
using System.Threading;namespace BankQueue
{public class ServiceWindow{//服务队列属性public IBankQueue BankQ { get; set; }//线程方法public void Service(){while (true){lock (BankQ){Thread.Sleep(2000);if (!BankQ.IsEmpty()){Console.WriteLine();Console.WriteLine("请{0}号到{1}号窗口!", BankQ.QueueFront, Thread.CurrentThread.Name);BankQ.DeQueue();}}}}}
}

客户端

using System;
using System.Threading;namespace BankQueue
{class BankQueueApp{public static void Main(string[] args){try{IBankQueue bankQueue = null;Console.WriteLine("请选择存储结构的类型：1.顺序队列 2.链队列");string seleflag = Console.ReadLine();switch (seleflag){case "1":Console.Write("请输入队列可容纳人数：");int count = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());bankQueue = new CSeqBankQueue(count);break;case "2":bankQueue = new LinkBankQueue();break;}int windowcount = 3;ServiceWindow[] serviceWindows = new ServiceWindow[windowcount];Thread[] serviceThread = new Thread[windowcount];for (int i = 0; i < windowcount; i++){serviceWindows[i] = new ServiceWindow();serviceWindows[i].BankQ = bankQueue;serviceThread[i] = new Thread(serviceWindows[i].Service);serviceThread[i].Name = (i + 1).ToString();serviceThread[i].Start();}while (true){Console.Write("请点击触摸屏获取号码：");Console.ReadLine();if (bankQueue != null && (bankQueue.Length < bankQueue.MaxSize || seleflag == "2")){int callnumber = bankQueue.GetCallnumber();Console.WriteLine("您的号码是：{0}，你前面有{1}位，请等待！",callnumber, bankQueue.Length);bankQueue.EnQueue(callnumber);}elseConsole.WriteLine("现在业务繁忙，请稍后再来！");Console.WriteLine();}}catch (Exception ex){Console.WriteLine(ex.Message);}}}
}

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