Bài giảng cấu trúc dữ liệu và thuật toán - Chương 3: Queue

Nội dung text: Bài giảng cấu trúc dữ liệu và thuật toán - Chương 3: Queue

1. CẤU TRÚC DỮ LIỆU VÀ GIẢI THUẬT Chương 3: Queue
2. Mô tả queue n Một queue là một cấu trúc dữ liệu mà việc thêm vào được thực hiện ở một đầu (rear) và việc lấy ra được thực hiện ở đầu còn lại (front) n Phần tử vào trước sẽ ra trước – FIFO (First In First Out) Chương 3: Queue 2
3. Queue trừu tượng n Một queue kiểu T: ¨ Một dãy hữu hạn kiểu T ¨ Một số tác vụ: n 1. Khởi tạo queue rỗng (create) n 2. Kiểm tra rỗng (empty) n 3. Thêm một giá trị vào cuối của queue (append) n 4. Bỏ giá trị đang có ở đầu của queue (serve) n 5. Lấy giá trị ở đầu của queue, queue không đổi (retrieve) Chương 3: Queue 3
4. Thiết kế queue enum Error_code {fail, success, overflow, underflow}; template class Queue { public: Queue(); //constructor bool empty() const; //kiểm tra rỗng Error_code append(const Entry &item); //đẩy item vào Error_code serve(); //bỏ 1 phần tử ở đầu Error_code retrieve(Entry &item); //lấy giá trị ở đầu //khai báo một số phương thức cần thiết khác private: //khai báo dữ liệu và hàm phụ trợ chỗ này }; Chương 3: Queue 4
5. Thiết kế các phương thức template bool Queue ::empty() const; Pre: Không có Post: Trả về giá trị true nếu queue hiện tại là rỗng, ngược lại thì trả về false template Error_code Queue ::append(const Entry &item); Pre: Không có Post: Nếu queue hiện tại không đầy, item sẽ được thêm vào cuối của queue. Ngược lại trả về giá trị overflow của kiểu Error_code và queue không đổi. template Error_code Queue ::serve() const; Pre: Không có Post: Nếu queue hiện tại không rỗng, đầu của queue hiện tại sẽ bị hủy bỏ. Ngược lại trả về giá trị underflow của kiểu Error_code và queue không đổi. template Error_code Queue ::retrieve(Entry &item) const; Pre: Không có Post: Nếu queue hiện tại không rỗng, đầu của queue hiện tại sẽ được chép vào tham biến item. Ngược lại trả về giá trị underflow của kiểu Error_code. Chương 3: Queue 5
6. Mở rộng queue n Có thêm các tác vụ: ¨ Kiểm tra đầy (full) ¨ Tính kích thước (size) ¨ Giải phóng queue (clear) ¨ Lấy giá trị ở đầu và bỏ ra khỏi queue (serve_and_retrieve) n Mã C++: template class Extended_queue: public Queue { public: bool full( ) const; Có các khả năng public, int size( ) const; protected, private void clear( ); Error_code serve_and_retrieve(Entry &item); }; Chương 3: Queue 6
7. Tính thừa hưởng n Dùng tính thừa hưởng: ¨ Extended_queue có đầy đủ các thành phần của Queue ¨ Thêm vào đó các thành phần riêng của mình Chương 3: Queue 7
8. Queue liên tục n Dùng một array: Có xu hướng dời về cuối array n Hai cách hiện thực đầu tiên: ¨ Khi lấy một phần tử ra thì đồng thời dời hàng lên một vị trí. A B C D B C D B C D E Ban đầu Lấy ra 1 phần tử: Thêm vào 1 phần tử dời tất cả về trước ¨ Chỉ dời hàng về đầu khi cuối hàng không còn chỗ A B C D B C D B C D E Ban đầu Lấy ra 1 phần tử Thêm vào 1 phần tử: dời tất cả về trước để trống chỗ thêm vào Chương 3: Queue 8
9. Queue là array vòng (circular array) Chương 3: Queue 9
10. Array vòng với ngôn ngữ C++ n Xem array như là một vòng: ¨ phần tử cuối của array nối với phần tử đầu của array n Tính toán vị trí kề: ¨ i = ((i + 1) == max) ? 0 : (i + 1); ¨ if ((i + 1) == max) i = 0; else i = i + 1; ¨ i = (i + 1)%max; Chương 3: Queue 10
11. Điều kiện biên của queue vòng Chương 3: Queue 11
12. Một số cách hiện thực queue liên tục n Một array với front là phần tử đầu và tất cả các phần tử sẽ được dời lên khi lấy ra một phần tử. n Một array có hai chỉ mục luôn tăng chỉ đến phần tử đầu và cuối. n Một array vòng có chỉ mục front và rear và một ô luôn trống. n Một array vòng có chỉ mục front và rear và một cờ (flag) cho biết queue là đầy (rỗng) chưa. n Một array vòng với chỉ mục front và rear có các giá trị đặc biệt cho biết queue đang rỗng. n Một array vòng với chỉ mục front và rear và một số chứa số phần tử của queue. Chương 3: Queue 12
13. Hiện thực queue liên tục const int maxqueue = 10; // small value for testing template class Queue { public: Queue( ); bool empty( ) const; Error_code serve( ); Error_code append(const Entry &item); Error_code retrieve(Entry &item) const; protected: int count; int front, rear; Entry entry[maxqueue]; }; Chương 3: Queue 13
14. Khởi tạo và kiểm tra rỗng n Khởi tạo: template Queue ::Queue( ) { count = 0; rear = maxqueue − 1; front = 0; } n Kiểm tra rỗng: Dùng biến count để template biết số phần tử bool Queue ::empty( ) const { trong queue return count == 0; } Chương 3: Queue 14
15. Thêm một giá trị vào queue n Giải thuật: 1. Nếu hàng đầy 1.1. Báo lỗi overflow 2. Tính toán vị trí cuối mới theo array vòng 3. Gán giá trị vào vị trí cuối mới này 4. Tăng số phần tử lên 1 4. Báo success front rear A B C D Chương 3: Queue 15
16. Loại một giá trị khỏi queue n Giải thuật: 1. Nếu hàng rỗng 1.1. Báo lỗi underflow 2. Tính toán vị trí đầu mới theo array vòng 3. Giảm số phần tử đi 1 3. Báo success front rear A B C D Chương 3: Queue 16
17. Thêm/loại một giá trị – Mã C++ template Error_code Queue ::append(const Entry &item) { if (count >= maxqueue) return overflow; count++; rear = ((rear + 1) == maxqueue) ? 0 : (rear + 1); entry[rear] = item; return success; } template Error_code Queue ::serve() { if (count <= 0) return underflow; count−−; front = ((front + 1) == maxqueue) ? 0 : (front + 1); return success; } Chương 3: Queue 17
18. Ứng dụng: Giả lập phi trường n Mô tả: ¨ 1. Sử dụng hàng đợi runway cho việc cất và hạ cánh. ¨ 2. Một máy bay có thể cất hoặc hạ cánh trong một đơn vị thời gian. ¨ 3. Tại một thời điểm, số máy bay đến là ngẫu nhiên. ¨ 4. Máy bay hạ cánh được ưu tiên trước máy bay cất cánh. ¨ 5. Các máy bay chờ cất/hạ cánh được chứa vào các hàng đợi tương ứng và với số lượng giới hạn. Chương 3: Queue 18
19. Giả lập phi trường – Hàng đợi enum Runway_activity {idle, land, takeoff}; class Runway { public: Runway(int limit); Error_code can_land(const Plane ¤t); Error_code can_depart(const Plane ¤t); Runway_activity activity(int time, Plane &moving); void shut_down(int time) const; private: Extended queue landing; Extended queue takeoff; int queue_limit; }; Chương 3: Queue 19
20. Giả lập phi trường – Hạ cánh Error_code Runway :: can_land(const Plane ¤t) { Error_code result; if (landing.size( ) < queue_limit) result = landing.append(current); else result = fail; num_land_requests++; if (result != success) num_land_refused++; else num_land_accepted++; return result; } Chương 3: Queue 20
21. Giả lập phi trường – Xử lý Runway_activity Runway::activity(int time, Plane &moving) { Runway_activity in_progress; if (!landing.empty( )) { landing.retrieve(moving); in_progress = land; landing.serve( ); } else if (!takeoff.empty( )) { takeoff.retrieve(moving); in_progress = takeoff; takeoff.serve( ); } else in_progress = idle; return in_progress; } Chương 3: Queue 21
22. Giả lập phi trường – Giả lập for (int current_time = 0; current_time < end_time; current_time++) { int number_arrivals = variable.poisson(arrival_rate); for (int i = 0; i < number_arrivals; i++) { Plane current_plane(flight_number++, current_time, arriving); if (small_airport.can_land(current_plane) != success) current_plane.refuse( ); } int number_departures = variable.poisson(departure_rate); for (int j = 0; j < number_departures; j++) { Plane current_plane(flight_number++, current_time, departing); if (small_airport.can_depart(current_plane) != success) current_plane.refuse( ); } Plane moving_plane; switch (small_airport.activity(current_time, moving_plane)) { case land: moving_plane.land(current_time); break; case takeoff: moving_plane.fly(current_time); break; case idle: run_idle(current_time); } } Chương 3: Queue 22