C++循環(huán)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)模型
本文實(shí)例講述了C++循環(huán)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)模型。分享給大家供大家參考。具體分析如下:
前段時(shí)間在知乎上看到這樣一個小題目:
用基本類型實(shí)現(xiàn)一隊(duì)列,隊(duì)列要求size是預(yù)先定義好的的。而且要求不可以使用語言自帶的api,如C++的STL。普通的實(shí)現(xiàn)很簡單,但是現(xiàn)在要求要盡可能的時(shí)間和空間復(fù)雜度的優(yōu)化,要和語言自帶的api比較時(shí)間和空間。這個隊(duì)列還要支持如下的操作:
constructor: 初始化隊(duì)列
enqueue:入隊(duì)
dequeue:出隊(duì)
隊(duì)列是一種基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在平常的應(yīng)用中十分廣泛,多數(shù)情況隊(duì)列都是用鏈表實(shí)現(xiàn)的。但是對于本題而言,用鏈表實(shí)現(xiàn)就有這樣一個問題:由于每個結(jié)點(diǎn)都存在至少一個指向前一個結(jié)點(diǎn)或后一個結(jié)點(diǎn)的指針,這就帶來了空間復(fù)雜度的加大,所以并不太適合要求。
這個時(shí)候我想到了boost中的boost::circular_buffer,它是通過類似于數(shù)組的底層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一個循環(huán)buffer。而數(shù)組的優(yōu)點(diǎn)是空間復(fù)雜度夠小(除去維持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的索引項(xiàng),空間復(fù)雜度為線性),再實(shí)現(xiàn)成循環(huán)結(jié)構(gòu)可以最大化的利用空間。而且在隊(duì)列這樣一種只在前后端插入刪除的情況下,其push和pop的時(shí)間復(fù)雜度也只有O(1)。
基本實(shí)現(xiàn)如下:
#ifndef __CIRCULAR_QUEUE_H__
#define __CIRCULAR_QUEUE_H__
#include <stddef.h>
template<typename T>
class circular_queue
{
public:
explicit circular_queue(size_t maxsize)
: maxsize_(maxsize + 1), head_(0), rear_(0)
{
array_ = new T[maxsize_];
}
circular_queue(size_t maxsize, const T& val)
: maxsize_(maxsize + 1), head_(0), rear_(0)
{
array_ = new T[maxsize_];
for (size_t i = 0; i != maxsize; ++i)
{
array_[i] = val;
}
rear_ = maxsize;
}
circular_queue(const circular_queue& rhs)
: maxsize_(rhs.maxsize_), head_(rhs.head_), rear_(rhs.rear_)
{
array_ = new T[maxsize_];
for (int i = 0; i != maxsize_; ++i)
{
array_[i] = rhs.array_[i];
}
}
~circular_queue()
{
delete [] array_;
}
circular_queue& operator=(const circular_queue& rhs)
{
if (this == &rhs)
{
return *this;
}
delete [] array_;
maxsize_ = rhs.maxsize_;
head_ = rhs.head_;
rear_ = rhs.rear_;
array_ = new T[maxsize_];
for (int i = 0; i != maxsize_; ++i)
{
array_[i] = rhs.array_[i];
}
return *this;
}
bool empty() const
{
return head_ == rear_;
}
size_t size() const
{
return (rear_ - head_ + maxsize_) % maxsize_;
}
T& front()
{
return array_[head_];
}
const T& front() const
{
return array_[head_];
}
void push(const T& val)
{
if ((rear_ + 1) % maxsize_ != head_)
{
array_[rear_] = val;
rear_ = (rear_ + 1) % maxsize_;
}
}
void pop()
{
if (head_ != rear_)
{
head_ = (head_ + 1) % maxsize_;
}
}
private:
size_t maxsize_;
int head_;
int rear_;
T* array_;
};
#endif
隊(duì)列長度 = 數(shù)組長度 - 1
預(yù)留了一個單位的數(shù)組元素空間作為隊(duì)尾標(biāo)記。
這個只是簡陋的實(shí)現(xiàn),沒有考慮到一些情況,比如線程安全、STL算法,函數(shù)對象的兼容等。代碼只是簡單的測試了一下,如有錯誤歡迎指正:)
總的來說,這種思路的循環(huán)隊(duì)列有以下優(yōu)點(diǎn):
1、使用固定的內(nèi)存,不需要隱式或意外的內(nèi)存分配。
2、從前端或后端進(jìn)行快速的常量時(shí)間的插入和刪除元素。
3、快速的常量時(shí)間的對元素進(jìn)行隨機(jī)訪問。(如果需要的話可以定義operator[])
4、適用于實(shí)時(shí)和對性能有嚴(yán)格要求的應(yīng)用程序。
還可以進(jìn)一步擴(kuò)展,當(dāng)隊(duì)列滿的時(shí)候,從一端插入則覆蓋沖洗掉另一端的數(shù)據(jù),這樣的一個模型可以應(yīng)用于這些場合:
保存最近接收到的取樣數(shù)據(jù),在新的取樣數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)覆蓋最舊的數(shù)據(jù)。
一種用于保存特定數(shù)量的最后插入元素的快速緩沖。
高效的固定容量FIFO(先進(jìn)先出)或LIFO(后進(jìn)先出)隊(duì)列,當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)刪除最舊的(即最早插入的)元素。
希望本文所述對大家的C++程序算法設(shè)計(jì)有所幫助。
欄 目:C語言
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本文標(biāo)題:C++循環(huán)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)模型
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