基本数据结构-队列

以下是关于 队列的基本概念、Python 实现以及应用案例 的详细说明，使用 Markdown 格式进行排版：

---

一、队列（Queue）

1. 概念

• 定义：队列是一种有序集合，具有两个主要端部：
  • 队尾（Rear）：新元素从这一端添加。
  • 队首（Front）：元素从这一端移除。
• 特性：队列遵循 FIFO（先进先出） 原则，即最先添加的元素最先被移除。

2. 特点

• 先进先出：类似于现实生活中的排队，如等待看电影、等待结账等。
• 单向操作：只能从队尾添加元素，从队首移除元素。

3. 应用场景

• 打印队列：计算机实验室中，多个打印任务排队等待打印。
• 操作系统调度：操作系统使用队列管理进程调度，确保任务按顺序执行。
• 键盘输入缓冲：按键内容被存储在队列中，按顺序处理，确保输入的正确性。

---

二、Python 实现队列

1. 队列的抽象数据类型定义

• 操作：
  • Queue()：创建一个空的队列，不需要参数，返回一个空队列。
  • enqueue(item)：将新项添加到队尾，需要一个参数 item，不返回任何内容。
  • dequeue()：从队首移除项，不需要参数，返回移除的元素。
  • isEmpty()：检查队列是否为空，返回布尔值。
  • size()：返回队列中的元素数量，返回一个整数。

2. Python 实现

class Queue:
    def __init__(self):
        """创建一个空的队列"""
        self.items = []

    def isEmpty(self):
        """检查队列是否为空"""
        return self.items == []

    def enqueue(self, item):
        """在队尾添加一个元素"""
        self.items.insert(0, item)

    def dequeue(self):
        """从队首移除一个元素"""
        if not self.isEmpty():
            return self.items.pop()
        else:
            raise IndexError("dequeue from empty queue")

    def size(self):
        """返回队列中的元素数量"""
        return len(self.items)

3. 使用示例

q = Queue()

# 检查队列是否为空
print(q.isEmpty())  # True

# 添加元素
q.enqueue("dog")
q.enqueue(4)
q.enqueue(8.4)

# 检查队列大小
print(q.size())  # 3

# 移除元素
print(q.dequeue())  # 输出: dog
print(q.dequeue())  # 输出: 4

# 检查队列大小
print(q.size())  # 1

---

三、面试题：如何用两个队列实现一个栈

1. 问题描述

• 使用两个队列 q1 和 q2 模拟栈的行为（LIFO，后进先出）。

2. 实现思路

• 入栈操作：将所有元素存储在 q1 中。
• 出栈操作：
  1. 将 q1 中的所有元素（除了最后一个）依次出队并入队到 q2。
  2. 弹出 q1 中的最后一个元素（即栈顶元素）。
  3. 交换 q1 和 q2 的角色，继续操作。

3. Python 实现

class Queue:
    def __init__(self):
        self.items = []

    def isEmpty(self):
        return self.items == []

    def enqueue(self, item):
        self.items.insert(0, item)

    def dequeue(self):
        if not self.isEmpty():
            return self.items.pop()
        else:
            raise IndexError("dequeue from empty queue")

    def size(self):
        return len(self.items)


# 使用两个队列实现栈
q1 = Queue()
q2 = Queue()
alist = [1, 2, 3, 4, 5]

# 将数据加入队列
for i in alist:
    q1.enqueue(i)

while True:
    while q1.size() > 1:
        item = q1.dequeue()
        q2.enqueue(item)
    print(q1.dequeue())  # 模拟栈的弹出操作

    # 交换 q1 和 q2 的角色
    q1, q2 = q2, q1

    if q1.size() == 0:
        break

4. 输出结果

• 输入：[1, 2, 3, 4, 5]
• 输出：

  5
  4
  3
  2
  1
  

---

四、总结

• 队列特性：先进先出（FIFO），适用于需要按顺序处理的场景。
• Python 实现：通过列表操作实现队列的基本功能。
• 两个队列模拟栈：通过交替使用两个队列，可以实现栈的后进先出（LIFO）特性。

希望这些内容能帮助你更好地理解队列的基本概念及其应用！