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数据结构实验报告——队列 队列是一种常见的数据结构，它通常用于存储一些需要先进先出（FIFO）的数据。比如，在排队的场景中，先来的人先离开。在计算机中，队列的应用十分广泛，如操作系统中的进程调度、网络数据包传输等。本实验主要介绍队列的实现方式及其简单的操作，包括入队和出队等。实验目的：1.了解队列的基本概念及其应用场景2.学习队列的实现原理和算法3.能够用程序实现队列的基本操作一、队列的定义和基本概念队列（Queue），是一种线性数据结构，可以理解为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。队列的基本操作：? 入队（enqueue）：向队尾插入一个元素。? 出队（dequeue）：从队首删除一个元素。? 获取队首元素（front）：获取队首元素但不删除。? 获取队尾元素（rear）：获取队尾元素但不删除。队列的特点：? 先进先出（First-In-First-Out，FIFO），即第一个插入的元素最先删除。? 只允许在队尾插入元素，在队首删除元素。? 不允许在队列中间插入或删除元素。二、队列的实现方式队列可以使用数组或链表实现，分别称为顺序队列和链式队列。1. 顺序队列顺序队列（Sequence Queue）是使用数组实现的队列，它是最简单、最基本的队列实现方式。定义一个数组存储队列元素，使用两个指针front和rear分别指向队首和队尾。当入队时，rear指针移动到队尾下一个位置；当出队时，front指针指向下一个元素。顺序队列的缺点是数组容量固定，出队后需要移动后续元素，浪费时间。所以可以使用循环队列进行改进。2. 循环队列循环队列（Circular Queue）是在顺序队列的基础上实现的。它利用循环数组来解决数组容量固定和元素移动的问题，通过将队列的首尾相连的方式，使队列成为环形结构。定义一个数组，使用两个指针front和rear分别指向队首和队尾。当入队时，rear指针移动到队尾下一个位置的循环位置（即当rear指针指向数组最后一个元素时，再入队会指向数组第一个元素）；当出队时，front指针指向下一个元素的循环位置。循环队列的特点：? 队列空：front==rear? 队列满：(rear+1)%max_size=front? 队列元素个数：(rear-front+max_size)%max_size因为循环队列的队首和队尾指针都是通过取模来计算的，所以在实现时需要特别注意边界条件。3. 链式队列链式队列（Linked Queue）是使用链表实现的队列。使用一个单向链表存储队列元素，使用两个指针front和rear分别指向队首和队尾。当入队时，将新元素添加到链表尾部；当出队时，将队首元素删除。链式队列的优点是没有固定容量限制，可以动态扩展。三、队列的应用场景队列作为一种先进先出的数据结构，常用于以下场景。1.处理消息队列：多线程消息队列，IO异步任务队列，消息中间件等。2.网络数据传输：TCP/IP协议中的滑动窗口、接收队列和发送队列等。3.操作系统调度：进程调度队列、消息队列、信号量等。4.排队等待：各种场景中的排队，如超市排队、银行排队等。四、队列的代码实现下面是C++语言实现顺序队列和循环队列的代码。1. 顺序队列代码实现```#include<iostream>using namespace std;const int MAX_SIZE = 100;// 声明队列结构体struct Queue { int data[MAX_SIZE]; int front, rear;};// 初始化队列void InitQueue(Queue &q) { q.front = q.rear = -1;}// 判断队列是否为空bool IsEmpty(Queue &q) { return q.front == q.rear;}// 判断队列是否已满bool IsFull(Queue &q) { return q.rear == MAX_SIZE - 1;}// 入队bool EnQueue(Queue &q, int x) { if (IsFull(q)) return false; q.data[++q.rear] = x; return true;}// 出队bool DeQueue(Queue &q, int &x) { if (IsEmpty(q)) return false; x = q.data[++q.front]; return true;}