数据结构与算法笔记——队列(FIFO队列双端队列)

Posted 2021-10-05 别呀

一、FIFO队列

1.1、概念

队列(queue)是只允许在一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作的线性表。

队列是一种先进先出的(First In First Out)的线性表，简称FIFO。允许插入的一端为队尾，允许删除的一端为队头。队列不允许在中间部位进行操作！假设队列是q= (a1，a2，…，an)，那么a1就是队头元素，而an是队尾元素。这样我们就可以删除时，总是从a1开始，而插入时，总是在队列最后。这也比较符合我们通常生活中的习惯，排在第一个的优先出列，最后来的当然排在队伍最后。

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1.2、队列操作及实现

同栈一样，队列也可以用顺序表或者链表实现。

（事实上，python自带queue模块，这里还是自己实现下）

操作：

• Queue()：创建一个空的队列
• enqueue(item)：往队列中添加一个item元素
• dequeue()：从队列头部删除一个元素
• is_empty()：判断一个队列是否为空
• size()：返回队列的大小

实现：

class Qeque(object):
    """队列"""
    def __init__(self):
        self.__list = []

    def is_empty(self):
        """判断队列是否为空"""
        return self.__list == []

    def size(self):
        """返回队列大小"""
        return len(self.__list)

    def enqueue(self, item):
        """往队列中添加一个item元素"""
        self.__list.append(item)


    def dequeue(self):
        """从队列头部删除一个元素"""
        return self.__list.pop(0)
   
if __name__ == '__main__':
    q =Qeque()
    q.enqueue(1)
    q.enqueue(2)
    q.enqueue(3)
    q.enqueue(4)

    print(q.dequeue(),end=' ')
    print(q.dequeue(),end=' ')
    print(q.dequeue(),end=' ')
    print(q.dequeue(),end=' ')

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二、双端队列

2.1、概念

双端队列(deque，全名double-ended queue)，是一种具有队列和栈的性质的数据结构。

双端队列中的元素可以从两端弹出，其限定插入和删除操作在表的两端进行。双端队列可以在队列任意一端入队和出队。

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2.2、双端队列操作及实现

操作：

• Deque()：创建一个空的双端队列
• add_front(item)：从队头加入一个item元素
• add_rear(item)：从队尾加入一个item元素
• remove_front()：从队头删除一个item元素
• remove_rear()：从队尾删除一个item元素
• is_empty()：判断双端队列是否为空
• size()：返回队列的大小

实现：

class Deque(object):
    """双端队列"""
    def __init__(self):
        self.__list = []

    def is_empty(self):
        """判断队列是否为空"""
        return self.__list == []

    def size(self):
        """返回队列大小"""
        return len(self.__list)


    def add_front(self, item):
        """在队头添加一个元素"""
        self.__list.insert(0, item)

    def add_rear(self, item):
        """在队尾添加元素"""
        self.__list.append(item)

    def remove_front(self):
        """从队头删除元素"""
        return self.__list.pop(0)

    def remove_rear(self):
        """从队尾删除元素"""
        return self.__list.pop()

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三、python模块Queue

Queue是python标准库中的线程安全的队列（FIFO）实现，提供了一个适用于多线程编程的先进先出的数据结构，即队列，用来在生产者和消费者线程之间的信息传递。

3.1、创建队列对象

import queue
myqueue = queue.Queue(maxsize = 10)

Queue.Queue类即是一个队列的同步实现。队列长度可为无限或者有限。可通过Queue的构造函数的可选参数maxsize来设定队列长度。如果maxsize小于1就表示队列长度无限。

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3.2、常用方法

• Queue.qsize() 返回队列的大小
• Queue.empty() 如果队列为空，返回True,反之False
• Queue.full() 如果队列满了，返回True,反之False，Queue.full 与 maxsize 大小对应
• Queue.get() 从队列中取最后一个数据
• Queue.get_nowait() 相当于Queue.get(False)，非阻塞方法
• Queue.put(item) 写入队列，timeout等待时间
• Queue.task_done() 在完成一项工作之后，Queue.task_done()函数向任务已经完成的队列发送一个信号。每个get()调用得到一个任务，接下来- -task_done()调用告诉队列该任务已经处理完毕。
• Queue.join() 实际上意味着等到队列为空，再执行别的操作

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3.3、案例：生产者消费者模式开发的Python多线程

在Python中，队列是最常用的线程间的通信方法，因为它是线程安全的，自带锁。而Condition等需要额外加锁的代码操作，在编程对死锁现象要很小心，Queue就不用担心这个问题。

Queue多线程代码示例如下：

from queue import Queue
import time, threading

q = Queue(maxsize=0)

def product(name):
    count = 1
    while True:
        q.put('商品{}'.format(count))
        print('{}生产商品{}个'.format(name, count))
        count += 1
        time.sleep(5)


def consume(name):
    while True:
        print('{}消费{}个'.format(name, q.get()))
        time.sleep(2)
        q.task_done()


t1 = threading.Thread(target=product, args=('python',))
t2 = threading.Thread(target=consume, args=('java',))

t1.start()
t2.start()

结果：

python生产商品1个
java消费商品1个
python生产商品2个
java消费商品2个
·······

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3.4、queue模块其他队列

queue模块有三种队列：

1. python queue模块的FIFO队列先进先出。
2. LIFO类似于堆。即先进后出。
3. 还有一种是优先级队列级别越低越先出来。

针对这三种队列分别有三个构造函数:

1. class Queue.Queue(maxsize) FIFO队列
2. class Queue.LifoQueue(maxsize) LIFO 队列
3. class Queue.PriorityQueue(maxsize) 优先级队列

示例

from queue import Queue, LifoQueue, PriorityQueue

# 先进先出队列
q = Queue(maxsize=5)
# 后进先出队列
lq = LifoQueue(maxsize=6)
# 优先级队列
pq = PriorityQueue(maxsize=5)

for i in range(5):
    q.put(i)
    lq.put(i)
    pq.put(i)

print("先进先出队列：%s;是否为空：%s；多大,%s;是否满,%s" % (q.queue, q.empty(), q.qsize(), q.full()))
print("后进先出队列：%s;是否为空：%s;多大,%s;是否满,%s" % (lq.queue, lq.empty(), lq.qsize(), lq.full()))
print("优先级队列：%s;是否为空：%s,多大,%s;是否满,%s" % (pq.queue, pq.empty(), pq.qsize(), pq.full()))

print(q.get(), lq.get(), pq.get())

结果：

先进先出队列：deque([0, 1, 2, 3, 4]);是否为空：False；多大,5;是否满,True
后进先出队列：[0, 1, 2, 3, 4];是否为空：False;多大,5;是否满,False
优先级队列：[0, 1, 2, 3, 4];是否为空：False,多大,5;是否满,True
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