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"《算法导论》之‘队列’"：队列的三种实现（静态数组、动态数组及指针）

　　本文有关栈的介绍部分参考自网站数据结构。

　 1. 队列

　 1.1 队列的定义

　　队列（Queue）是只允许在一端进行插入，而在另一端进行删除的运算受限的线性表。

　　（1）允许删除的一端称为队头（Front）。
　　（2）允许插入的一端称为队尾（Rear）。
　　（3）当队列中没有元素时称为空队列。
　　（4）队列亦称作先进先出（First In First Out）的线性表，简称为FIFO表。
　队列的修改是依先进先出的原则进行的。新来的成员总是加入队尾（即不允许"加塞"），每次离开的成员总是队列头上的（不允许中途离队），即当前"最老的"成员离队。
　【例】在队列中依次加入元素a₁，a₂，…，a_n之后，a₁是队头元素，a_n是队尾元素。退出队列的次序只能是a₁，a₂，…，a_n。

　 1.2 队列的运算

　　（1）initQueue（Q）
    　置空队。构造一个空队列Q。

　　（2）isEmpty（Q）
    　判队空。若队列Q为空，则返回真值，否则返回假值。

　　（3） isFull（Q）
    　判队满。若队列Q为满，则返回真值，否则返回假值。
  　　注意：
    　此操作只适用于队列的顺序存储结构。

　　（4） enQueue（Q，x）
    　若队列Q非满，则将元素x插入Q的队尾。此操作简称入队。

　　（5） deQueue（Q）
    　若队列Q非空，则删去Q的队头元素，并返回该元素。此操作简称出队。

　　（6） front（Q）
    　若队列Q非空，则返回队头元素，但不改变队列Q的状态。

　 2. 实现

　　在实现的时候，队列的基本函数都有（isEmpty、enQueue、deQueue、front）。因为我是用面向对象的方法来设计队列，所以队列的初始化、拷贝构造、赋值运算符重载等也都具备。另外，我采取了C++中的模板类来设计队列，使得队列设计能适应更多的场合。

　　队列的实现跟栈的实现没什么大的区别，只需代码细小的修改就OK了。所以，在这里，我只给出基于静态数组的队列的设计。

　　2.1 基于静态数组　　

　　基于静态数组的队列的最大特点就是队列的大小是固定的，用户在初始化之后就无法改变。在编译期，编译器就已经给这个队列分配好内存，在“内存的栈”上分配。

　　这是我所设计的队列模板类：

 1 template<class T, int defCapacity = 1024>
 2 class Queue
 3 {
 4 public:
 5     Queue();
 6     virtual ~Queue();
 7     bool isEmpty();
 8     bool enQueue(T val);       // 通过在队尾添加一个值来改变队列。
 9     T front();                 // 访问队首的值，保持队列不变。
10     bool deQueue();            // 通过删除队首的值来改变一个队列。
11     int getSizeOfQueue();
12 
13 private:
14     T queue[defCapacity];
15     int sizeOfQueue;
16 
17 };

　　具体实现代码为：

 1 #include <iostream>
 2 #include <cassert>
 3 using namespace std;
 4 
 5 // const int CAPACITY = 1024;
 6 
 7 template<class T, int defCapacity = 1024>
 8 class Queue
 9 {
10 public:
11     Queue();
12     virtual ~Queue();
13     bool isEmpty();
14     bool enQueue(T val);    // 通过在队尾添加一个值来改变队列。
15     T front();                // 访问队首的值，保持队列不变。
16     bool deQueue();            // 通过删除队首的值来改变一个队列。
17     int getSizeOfQueue();
18 
19 private:
20     T queue[defCapacity];
21     int sizeOfQueue;
22 
23 };
24 
25 
26 template<class T, int defCapacity>
27 Queue<T, defCapacity>::Queue()
28 {
29     sizeOfQueue = 0;
30 }
31 
32 template<class T, int defCapacity>
33 Queue<T, defCapacity>::~Queue()
34 {
35 
36 }
37 
38 template<class T, int defCapacity>
39 bool Queue<T, defCapacity>::isEmpty()
40 {
41     return sizeOfQueue == 0;
42 }
43 
44 template<class T, int defCapacity>
45 bool Queue<T, defCapacity>::enQueue(T val)
46 {
47     // assert(sizeOfQueue < defCapacity);
48     bool isSuccess = true;
49     if (sizeOfQueue == defCapacity)
50     {
51         cerr << "There is no space for new elements." << endl;
52         isSuccess = false;
53     }
54     else
55     {
56         queue[sizeOfQueue] = val;
57         sizeOfQueue++;
58     }
59     return isSuccess;
60 }
61 
62 template<class T, int defCapacity>
63 T Queue<T, defCapacity>::front()
64 {
65     //assert(sizeOfQueue > 0);
66     if (sizeOfQueue == 0)
67     {
68         cerr << "There is no elements in the queue." << endl;
69     }
70     return queue[0];
71 }
72 
73 template<class T, int defCapacity>
74 bool Queue<T, defCapacity>::deQueue()
75 {
76     // assert(sizeOfQueue > 0);
77     bool isSuccess = true;
78     if (sizeOfQueue == 0)
79     {
80         cerr << "There is no element in Queue." << endl;
81         isSuccess = false;
82     }
83     else
84     {
85         for (int i = 0; i < sizeOfQueue - 1; i++)
86         {
87             queue[i] = queue[i + 1];
88         }
89         sizeOfQueue--;
90     }
91     return isSuccess;
92 }
93 
94 template<class T, int defCapacity>
95 int Queue<T, defCapacity>::getSizeOfQueue()
96 {
97     return sizeOfQueue;
98 }

queue.hpp

　　Boost单元测试代码为：

 1 #define BOOST_TEST_MODULE Stack_Test_Module
 2 
 3 #include "stdafx.h"
 4 #include "../Queue/queue.hpp"
 5 
 6 const int MAXSIZE = 3;
 7 struct Stack_Fixture
 8 {
 9 public:
10     Stack_Fixture()
11     {
12         testQueue = new Queue<int, MAXSIZE>();
13     }
14 
15     ~Stack_Fixture()
16     {
17         delete testQueue;
18     }
19 
20     Queue<int, MAXSIZE> * testQueue;
21 };
22 
23 
24 
25 BOOST_FIXTURE_TEST_SUITE(Stack_Test_Fixture, Stack_Fixture)
26 
27 BOOST_AUTO_TEST_CASE(Queue_Test)
28 {
29     // isEmpty ------------------------------------
30     BOOST_REQUIRE(testQueue->isEmpty() == true);
31 
32     // isEmpty ------------------------------------
33     BOOST_REQUIRE(testQueue->getSizeOfQueue() == 0);
34 
35     // enQueue & front ---------------------------------
36     BOOST_REQUIRE(testQueue->enQueue(1) == true);
37     BOOST_REQUIRE(testQueue->front() == 1);
38     BOOST_REQUIRE(testQueue->getSizeOfQueue() == 1);
39 
40     BOOST_REQUIRE(testQueue->enQueue(2) == true);
41     BOOST_REQUIRE(testQueue->front() == 1);
42     BOOST_REQUIRE(testQueue->getSizeOfQueue() == 2);
43     
44     BOOST_REQUIRE(testQueue->enQueue(3) == true);
45     BOOST_REQUIRE(testQueue->front() == 1);
46     BOOST_REQUIRE(testQueue->getSizeOfQueue() == 3);
47 
48     BOOST_REQUIRE(testQueue->enQueue(3) == false);
49     BOOST_REQUIRE(testQueue->front() == 1);
50     BOOST_REQUIRE(testQueue->getSizeOfQueue() == 3);
51 
52     // deQueue & front ----------------------------------
53     BOOST_REQUIRE(testQueue->deQueue() == true);
54     BOOST_REQUIRE(testQueue->front() == 2);
55     BOOST_REQUIRE(testQueue->getSizeOfQueue() == 2);
56 
57     BOOST_REQUIRE(testQueue->deQueue() == true);
58     BOOST_REQUIRE(testQueue->front() == 3);
59     BOOST_REQUIRE(testQueue->getSizeOfQueue() == 1);
60 
61     BOOST_REQUIRE(testQueue->deQueue() == true);
62     BOOST_REQUIRE(testQueue->getSizeOfQueue() == 0);
63 
64     BOOST_REQUIRE(testQueue->deQueue() == false);
65 
66 }
67 
68 
69 BOOST_AUTO_TEST_SUITE_END()

BoostUnitTest.cpp

　　2.2 基于动态数组

　　请参考栈的三种实现（静态数组、动态数组及指针）2.2。

　　2.3 基于指针

　　请参考栈的三种实现（静态数组、动态数组及指针）2.3。

　　本篇博文的代码均托管到Taocode : http://code.taobao.org/p/datastructureandalgorithm/src/.

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