基本数据结构——线性结构(队列、双端队列)

1. 什么是队列?

队列是一种有次序的数据集合,其特征是新数据项的添加总发生在一端(通常称为“尾端”),而现存数据项的移除总发生在另一端(通常称为“首front”端)。
新加入的数据项必须在数据集末尾等待,而等待时间最长的数据项则是队首。这种次序安排的原则称为先进先出(FIFO:First-in-first-on)
在这里插入图片描述
队列仅有一个入口和一个出口。不允许数据项直接插入队中,也不允许从中间移除数据项。

2.抽象数据类型Queue

抽象数据类型Queue是一个有次序的数据集合。数据项仅添加到尾端,而且仅从首端移除。Queue具有FIFO的操作次序

2.1 抽象数据类型Queue定义的操作

在这里插入图片描述

2.2操作样例

在这里插入图片描述

2.3用python实现ADT Queue

采用List来容纳Queue的数据项,将List的首端作为队列的尾端,List的末端作为队列的首端。enqueue()的复杂度为O(n),dequeue()的复杂度为O(1)。首尾倒过来的实现,复杂度也倒过来。

#队列
 class Queue:
    def __init__(self):
        self.items=[]#产生一个对列
    def isEmpty(self):
        return self.items==[]   #判断对列是否为空
    def enqueue(self,item):
        return self.items.insert(0,item)#将数据项item添加到队尾
    def dequeue(self):
        return self.items.pop()#从队首移除数据项
    def size(self):
        return len(self.items)#返回对列的大小

2.4 Queue的应用:打印任务

一个具体的实例配置如下:

一个实验室,在任意的一小时内,大约有10名学生在场。这一小时中,没人会发起两次左右的打印,每次1~20页

打印机的性能:

以草稿模式打印的话,每分钟10页;以正常模式打印的话,打印质量好,但速度降为每分钟5页。

问题是:

怎么设定打印机的模式,让大家都不会等太久的前提下尽量提高打印质量

2.4.1 如何对问题建模

对问题进行抽象,确定相关的对象和过程。抛弃那些对问题是指没有关系的学生性别、年龄、打印机型号、打印内容、纸张大小等等众多细节。

2.4.1.1 对象:打印任务、打印队列、打印页数

打印任务的属性:提交时间、打印页数
打印队列的属性:具有FIFO性质的打印任务队列
打印机属性:打印速度、是否忙

2.4.1.2 过程:

  • 生成和提交打印任务
    • 确定生成概率:实例为每小时会有10个学术提交20个作业,这样,概率是每180秒会有一个作业生成并提交,概率为每秒1/180
      在这里插入图片描述
    • 确定打印页数:实例是1-20页,那么就是1-20页之间的概率相同
  • 实施打印
    • 当前的打印作业:正在打印的作业
    • 打印结束倒计时:新作业开始打印时开始倒计时,回0表示打印完毕,可以处理下一个作业。

2.4.1.3 模拟时间

  • 统一的时间框架:以最小单位(秒)均匀流逝的时间,设定结束时间
  • 同步所有过程:在一个时间单位里,对生成打印任务和实施打印两个过程各处理一次。

2.4.2 模拟流程

(1)创建打印队列对象
(2)时间按照秒的单位流逝
按照概率生成打印作业,加入打印队列
如果打印机空闲,且队列不空,则取出队首作业打印,记录此作业等待时间
如果打印机忙,则按照打印速度进行1秒打印
如果当前作业打印完成,则打印机进入空闲
(3)时间用尽,开始统计平均等待时间
(4)作业的等待时间
生成作业时,记录生成的时间戳
开始打印时,当前时间减去生成时间即可
(5)作业的打印时间
生成作业时,记录作业的页数
开始打印时,页数除以打印速度即可

2.4.3 python实现

#队列
import random
class Queue:
    def __init__(self):
        self.items=[]#产生一个对列
    def isEmpty(self):
        return self.items==[]   #判断对列是否为空
    def enqueue(self,item):
        return self.items.insert(0,item)#将数据项item添加到队尾
    def dequeue(self):
        return self.items.pop()#从队首移除数据项
    def size(self):
        return len(self.items)#返回对列的大小
#打印机
class Printer:
    def __init__(self,ppm):#ppm打印速度
        self.pagerate=ppm
        self.currentTask=None#当前打印任务
        self.timeRemaining=0#任务倒计时
    def tick(self):#打印1秒
        if self.currentTask !=None:
            self.timeRemaining=self.timeRemaining-1
            if self.timeRemaining<=0:#倒计时小于等于0
                self.currentTask=None#当前没有打印任务
    def busy(self):#判断打印机是否正忙
        if self.currentTask !=None:#当currentTask不为None,表示打印机正忙,返回True
            return True
        else:
            return False
    def startNext(self,newtask):#打印新作业
        self.currentTask=newtask
        self.timeRemaining=newtask.getPages()*60/self.pagerate
#打印任务    
class Task:
    def __init__(self,time):
        self.timestamp=time#生成时间戳
        self.pages=random.randrange(1,21)#随机生成打印的页数
    def getStamp(self):
        return self.timestamp
    def getPages(self):
        return self.pages
    def waitTime(self,currenttime):#等待时间
        return currenttime-self.timestamp

def newPrintTask():
    num=random.randrange(1,181)
    if num==180:
        return True #1/180概率生成作业
    else:
        return False
#模拟    
def simulation(numSeconds,pagesPerMinute):
    labprinter=Printer(pagesPerMinute)
    printQueue=Queue()#产生一个空队列
    waitingtimes=[]#等待时间
    for currentSecond in range(numSeconds):
        #时间流逝
        if newPrintTask():
            task=Task(currentSecond)
            printQueue.enqueue(task)
        if (not labprinter.busy()) and (not printQueue.isEmpty()):
            nexttask=printQueue.dequeue()
            waitingtimes.append(nexttask.waitTime(currentSecond))
            labprinter.startNext(nexttask)
        labprinter.tick()
        
    averageWait=sum(waitingtimes)/len(waitingtimes)
    print("Average Wait %6.2f secs %3d tasks remaining"%(averageWait,printQueue.size()))
    
for i in range(10):
    simulation(3600,5)

按照5ppm、1小时的设定,模拟运行10次。结果如下:
在这里插入图片描述
上述结果中,总平均等待时间为133.603秒,最长的平均等待为586.28秒,最短的平均等待14.60秒。还有两次模拟中有作业没有开始打印。
按照10ppm、1小时的设定,模拟运行10次。结果如下:
在这里插入图片描述
上述结果中,总平均等待时间为23.535秒,最长的平均等待为56.58秒,最短的平均等待9.37秒。而且所有的作业都打印了。

3.双端队列(Deque)

双端队列Deque是一种有次序的数据集。跟队列相似,其两端可以称作“首”“尾”端,但deque中数据项既可以从队首加入,也可以从队尾加入;数据项也可以从两端移除。某种意义上说,双端队列继承了栈和队列的能力。但双端队列并不具有内在的LIFO或者FIFO特性。如果用双端队列来模拟栈或者队列,需要由使用者自行维护操作的一致性。
在这里插入图片描述

3.1 抽象数据类型Deque定义的操作:

在这里插入图片描述

3.2 操作样例

在这里插入图片描述

3.3 python实现ADT Deque

采用List实现,List下标0作为deque的尾端,List下标-1作为deque的首端。addFront/removeFront的复杂度为O(1);addRear/removeRear的复杂度为O(n)

class Deque:
    def __init__(self):
        self.items=[]#建立空的双端队列
    def isEmpty(self):
        return self.items==[]#判断双端队列是否为空
    def addFront(self,item):#将item加入队首
        self.items.append(item)
    def addRear(self,item):#将item加入队尾
        self.items.insert(0,item)
    def removeFront(self):#从队首移除数据项,返回的是移除的数据项
        return self.items.pop()
    def removeRear(self):#从队尾移除数据项,返回的是移除的数据项
        return self.items.pop(0)
    def size(self):
        return len(self.items)#返回双端队列中包含数据项的个数

3.4 双端队列的应用——“回文词”判定

"回文词"指正读和反读都一样的词,如radar、madam、toot、“上海自来水来自上海”、“山东货花生花落东山”

利用双端队列解决“回文词”判断问题

首先将需要判定的词从队尾加入deque,再从两端同时移除字符判定是否相同,直到deque中剩下0个或一个字符

python实现代码


class Deque:
    def __init__(self):
        self.items=[]#建立空的双端队列
    def isEmpty(self):
        return self.items==[]#判断双端队列是否为空
    def addFront(self,item):#将item加入队首
        self.items.append(item)
    def addRear(self,item):#将item加入队尾
        self.items.insert(0,item)
    def removeFront(self):#从队首移除数据项,返回的是移除的数据项
        return self.items.pop()
    def removeRear(self):#从队尾移除数据项,返回的是移除的数据项
        return self.items.pop(0)
    def size(self):
        return len(self.items)#返回双端队列中包含数据项的个数

#回文词判定                          
def palchecker(aString):
    adeque=Deque()#创建一个空的双端队列
    #将需要判定的词从队尾加入到deque
    for ch in aString:
        adeque.addRear(ch)
    isHuiWen=True
    #从两端同时移除字符判定是否相同
    while adeque.size()>1 and isHuiWen:
        left=adeque.removeFront()#移除队首的数据项
        right=adeque.removeRear()#移除队尾的数据项
        if left!=right:
            isHuiWen=False
    return isHuiWen
print(palchecker('radar'))
print(palchecker('raddarb'))
發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章