資料結構C#版筆記–隊列(Quene)

隊列(Quene)的特徵就是“先進先出”，隊列把所有操作限制在"只能線上性結構的兩端"進行，更具體一點：添加元素必須線上性表尾部進行，而刪除元素只能線上性表頭部進行。

先抽象介面IQuene<T>

namespace 棧與隊列{    public interface IQuene<T>    {        /// <summary>        /// 取得隊列實際元素的個數        /// </summary>        /// <returns></returns>        public int Count();        /// <summary>        /// 判斷隊列是否為空白        /// </summary>        /// <returns></returns>        public bool IsEmpty();        /// <summary>        /// 清空隊列        /// </summary>        public void Clear();        /// <summary>        /// 入隊（即向隊列尾部添加一個元素）        /// </summary>        /// <param name="item"></param>        public void Enquene(T item);        /// <summary>        /// 出隊(即從隊列頭部刪除一個元素)        /// </summary>        /// <returns></returns>        public T Dequene();        /// <summary>        /// 取得隊列頭部第一元素        /// </summary>        /// <returns></returns>        public T Peek();    }}

下面是基於數組實現的：

實現思路：用一個數組存放所有元素，同時設定二個關鍵變數front與rear用於記錄隊列“頭”與“尾”的元素下標，當有元素入列時rear加1，當有元素出隊時front+1，而rear-front即為隊列實際元素的總數.

但有一種“隊列偽滿”的特殊情況要注意，如：

這張圖上面的部分：假設經過入隊、出隊一番折騰後，rear已經指向數組的下標最大值，而front指向在中間(即front之間的元素已經出隊不用考慮了，相當於front下標前面的記憶體地區空閑)，如果這時再有一個元素入列，rear+1就超出數組下標的最大值了，但是從圖上一眼就能看出，實際上front前面還空著一堆位置可以重複利用，隊列並非真正的“滿”--這種情況稱為偽滿，為瞭解決這個問題，我們可以把數組想象為首尾相接的迴圈結構，即圖中下面部分，這時候可以讓rear重新指向到0，以便重複利用閒置位置。

所以：入列時rear++的操作，應該稍做修正，當rear到數組下標最大值時，讓它置0，以便能迴圈利用 (見後面的代碼)

另外還有一個問題：最開始時front與rear都為-1，即front==rear時表示隊列為空白，改成迴圈以後，有可能會出現rear在迴圈過程中碰到front的情況，即真正意義的上"滿"狀態，這時rear也同樣等於front，這樣就無法單純的用rear==front來判斷是滿，還是空？這時可以浪費一個元素的位置，認為當rear+1==front時，隊列就已經滿了，雖然犧牲了一個元素的空間，但卻換來了邏輯的正確性，還是值得的。

完整實現如下：

using System;using System.Text;namespace 棧與隊列{    /// <summary>    /// 迴圈順序隊列    /// </summary>    /// <typeparam name="T"></typeparam>    public class CSeqQueue<T>:IQueue<T>    {        private int maxsize;        private T[] data;        private int front;        private int rear;               public CSeqQueue(int size)         {            data = new T[size];            maxsize = size;            front = rear = -1;        }        public int Count()                 {            if (rear > front)            {                return rear - front;            }            else            {                return (rear - front + maxsize) % maxsize;            }        }        public void Clear()         {            front = rear = -1;        }        public bool IsEmpty()         {            return front == rear;                    }        public bool IsFull()         {                       if (front != -1) //如果已經有元素出隊過            {                return (rear + 1) % maxsize == front;//為了區分與IsEmpty的區別，有元素出隊過以後，就只有浪費一個位置來保持邏輯正確性.            }            else             {                return rear == maxsize - 1;            }                    }        public void Enqueue(T item)         {            if (IsFull())             {                Console.WriteLine("Queue is full");                return;            }            if (rear == maxsize - 1) //如果rear到頭了，則迴圈重來（即解決偽滿問題）            {                rear = 0;            }            else             {                rear++;            }            data[rear] = item;        }        public T Dequeue()         {                        if (IsEmpty())             {                Console.WriteLine("Queue is empty");                return default(T);            }            if (front == maxsize - 1) //如果front到頭了，則重新置0            {                front = 0;            }            else             {                front++;            }                        return data[front];        }        public T Peek()         {            if (IsEmpty())             {                Console.WriteLine("Queue is empty!");                return default(T);            }            return data[(front + 1) % maxsize];                    }        public override string ToString()        {            if (IsEmpty()) { return "queue is empty."; }            StringBuilder sb = new StringBuilder();            if (rear > front)            {                for (int i = front + 1; i <= rear; i++)                {                    sb.Append(this.data[i].ToString() + ",");                }            }            else             {                for (int i = front + 1; i < maxsize; i++)                {                    sb.Append(this.data[i].ToString() + ",");                }                for (int i = 0; i <= rear; i++)                {                    sb.Append(this.data[i].ToString() + ",");                }            }            return "front = " + this.front + " \t rear = " + this.rear + "\t count = " + this.Count() + "\t data = " +  sb.ToString().Trim(',');        }    }}

測試程式碼片段：

            CSeqQueue<int> queue = new CSeqQueue<int>(5);            queue.Enqueue(1);            queue.Enqueue(2);            queue.Enqueue(3);            queue.Enqueue(4);            Console.WriteLine(queue);//front = -1       rear = 3        count = 4       data = 1,2,3,4            queue.Dequeue();            Console.WriteLine(queue);//front = 0        rear = 3        count = 3       data = 2,3,4            queue.Dequeue();            Console.WriteLine(queue);//front = 1        rear = 3        count = 2       data = 3,4            queue.Enqueue(5);            Console.WriteLine(queue);//front = 1        rear = 4        count = 3       data = 3,4,5            queue.Enqueue(6);            Console.WriteLine(queue);//front = 1        rear = 0        count = 4       data = 3,4,5,6            queue.Enqueue(7);        //Queue is full            Console.WriteLine(queue);//front = 1        rear = 0        count = 4       data = 3,4,5,6            queue.Dequeue();            queue.Enqueue(7);            Console.WriteLine(queue);//front = 2        rear = 1        count = 4       data = 4,5,6,7            queue.Clear();            Console.WriteLine(queue);//queue is empty.            queue.Enqueue(1);            queue.Enqueue(2);            queue.Enqueue(3);            queue.Enqueue(4);            Console.WriteLine(queue);//front = -1       rear = 3        count = 4       data = 1,2,3,4            queue.Enqueue(5);            Console.WriteLine(queue);//front = -1       rear = 4        count = 5       data = 1,2,3,4,5            queue.Enqueue(6);        //Queue is full            Console.WriteLine(queue);//front = -1       rear = 4        count = 5       data = 1,2,3,4,5            queue.Dequeue();            queue.Dequeue();            queue.Dequeue();            queue.Dequeue();            Console.WriteLine(queue);//front = 3        rear = 4        count = 1       data = 5            queue.Dequeue();            Console.WriteLine(queue);//queue is empty.            queue.Enqueue(0);            queue.Enqueue(1);            queue.Enqueue(2);            queue.Enqueue(3);            queue.Enqueue(4);        //Queue is full            Console.WriteLine(queue);//front = 4        rear = 3        count = 4       data = 0,1,2,3            Console.WriteLine(queue.Peek());//0            queue.Dequeue();            Console.WriteLine(queue);//front = 0        rear = 3        count = 3       data = 1,2,3            queue.Dequeue();            Console.WriteLine(queue);//front = 1        rear = 3        count = 2       data = 2,3            queue.Dequeue();            Console.WriteLine(queue);//front = 2        rear = 3        count = 1       data = 3            queue.Dequeue();            Console.WriteLine(queue);//queue is empty.            queue.Enqueue(9);            Console.WriteLine(queue);//front = 3        rear = 4        count = 1       data = 9            Console.ReadLine();

當然，隊列也可以用鏈表來實現，相對要容易很多。

先定義鏈表中的節點Node.cs

namespace 棧與隊列{    public class Node<T>    {        private T data;        private Node<T> next;        public Node(T data, Node<T> next)         {            this.data = data;            this.next = next;        }        public Node(Node<T> next)         {            this.next = next;            this.data = default(T);                    }        public Node(T data)         {            this.data = data;            this.next = null;        }        public Node()         {            this.data = default(T);            this.next = null;        }        public T Data {            get { return this.data; }            set { this.data = value; }        }        public Node<T> Next         {            get { return next; }            set { next = value; }        }    }}

為了方便，定義了很多建構函式的重載版本，當然這些只是浮雲，重點是理解結構：data用來儲存資料，next指出下一個節點是誰

鏈式隊列的完整實現LinkQueue.cs

using System;using System.Text;namespace 棧與隊列{    public class LinkQueue:IQueue    {        private Node front;//隊列頭        private Node rear;//隊列尾        private int num;//隊列元素個數        ///         /// 構造器        ///         public LinkQueue()         {            //初始時front,rear置為null，num置0            front = rear = null;            num = 0;        }        public int Count()         {            return this.num;        }        public void Clear()         {            front = rear = null;            num = 0;        }        public bool IsEmpty()         {            return (front == rear && num == 0);        }        //入隊        public void Enqueue(T item)         {            Node q = new Node(item);            if (rear == null)//第一個元素入列時            {                front = rear = q;            }            else            {                //把新元素掛到鏈尾                rear.Next = q;                //修正rear指向為最後一個元素                rear = q;            }            //元素總數+1            num++;        }        //出隊        public T Dequeue()         {            if (IsEmpty())             {                Console.WriteLine("Queue is empty!");                return default(T);            }            //取鏈首元素            Node p = front;            //鏈頭指向後移一位            front = front.Next;            //如果此時鏈表為空白，則同步修正rear            if (front == null)             {                rear = null;            }            num--;//個數-1            return p.Data;        }        public T Peek()         {            if (IsEmpty())             {                Console.WriteLine("Queue is empty!");                return default(T);            }            return front.Data;        }        public override string ToString()        {            if (IsEmpty()) {                Console.WriteLine("Queue is empty!");            }            StringBuilder sb = new StringBuilder();            Node node = front;            sb.Append(node.Data.ToString());            while (node.Next!=null)            {                sb.Append("," + node.Next.Data.ToString());                node = node.Next;            }            return sb.ToString().Trim(',');        }    }}