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線性結構隊列以及應用(上)_台中搬家公司


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隊列Queue:什麼是隊列?


對列是一種有次序的數據集合,其特徵是新數據項的添加總發生在一端(通常稱為"尾rear"端),而現存數據項的移除總發生在另一端(通常稱為"首front"端)


當數據項加入隊列,首先出現在隊尾,隨着隊首數據項的移除,它逐漸接近隊首。新加入的數據項必須在數據集末尾等待,而等待時間最長的數據項則是隊首。這種次序安排的原則稱為:先進先出。


隊列的例子出現在我們日常生活的方方面面:水管,排隊;隊列僅有一個入口和一個出口。不允許數據項直接插入隊中,也不允許從中間移除數據項。


抽象數據類型Queue


抽象數據類型Queue是一個有次序的數據集合,數據項僅添加到"尾"端,而且僅從"首"端移除,Queue具有先進先出的操作次序。



  • 抽象數據類型Queue由如下操作定義:



    Queue():創建一個空隊列對象,返回值為Queue對象;


    enqueue(item):將數據項item添加到隊尾,無返回值;


    dequeue():從隊首移除數據項,返回值為隊首數據項,隊列被修改;


    isEmpty():測試是否空隊列,返回值為bool;


    size():返回隊列中數據項的個數。




































































    隊列操作 隊列內容 返回值
    q=Queue() [] Queue object
    q.isEmpty() [] True
    q.enqueue(4) [4]
    q.enqueue("dog") ["dog",4]
    q.enqueue(True) [True,"dog",4]
    q.size() [True,"dog",4] 3
    q.isEmpty() [True,"dog",4] False
    q.enqueue("dog") [8.4,True,"dog",4]
    q.dequeue() [8.4,True,"dog"] 4
    q.dequeue() [8.4,True] "dog"
    q.size() [8.4,True] 2


Python實現Queue


採用List來容納Queue的數據項,將List首端作為隊列尾端,List的末端作為隊列的首端,enqueue()複雜度為O(n),dequeue()複雜度為O(1)


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):
return self.items.pop()

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

注意:首尾倒過來的實現,複雜度也倒過來。


隊列的應用:約瑟夫問題


傳說猶太人反叛羅馬人,落到困境,約瑟夫和39人決定殉難,坐成一圈,報數1-7,報到7的人由旁邊殺死,結果略瑟夫給自己安排了個位置,最後活了下來……


模擬程序採用隊列來存放所有參加遊戲的人名,按照報數的方向從隊首排到隊尾,模擬遊戲開始,只需要將隊首的人出隊,隨機再到對尾入隊,算是一次報數完成,反覆n次后,將隊首的人移除,不再入隊,如此反覆,知道隊列中剩下一人。


def JosephQuestion(namelist,num):
simqueue = Queue()
for name in namelist:
simqueue.enqueue(name)

while simqueue.size() > 1:
for i in range(num):
simqueue.enqueue(simqueue.dequeue()) # 一次傳遞

simqueue.dequeue() # 處死隊首

return simqueue.dequeue()

隊列的應用:打印任務


有如下場景:多人共享一台打印機,採取"先到先服務"的策略來執行打印任務,在這種設定下,一個首要問題就是:這種打印作業系統的容量有多大?在能夠接受的等待時間內,系統能夠容納多少用戶以多高頻率提交到少打印任務?


一個具體的實例配置如下:


一個實驗室,在任意的一個小時內,大約有10名學生在場,這一個小時中,每個人發起2次左右的打印,每次1-20頁。打印機的性能是:以草稿模式打印的話,每分鐘10頁,以正常模式打印的話,打印質量好,但是速度下降,每分鐘只能打印五頁。


問題:怎麼設定打印機的模式,讓大家都不會等太久的前提下,盡量提高打印質量?這是一個典型的決策支持問題,但無法通過規則直接計算,我們要用一段程序來模擬這種打印任務場景,然後對程序運行結果進行分析,以支持對打印機模式設定的決策。


如何對問題建模:


首先對問題進行抽象,確定相關的對象和過程。拋棄那些對問題實質沒有關係的學生性別,年齡,打印機型號,打印內容,智障大小等等眾多細節。


對象:打印任務,打印隊列,打印機。



打印任務的屬性:提交事件,打印頁數


打印隊列的屬性:具有"先進先出"性質的打印任務隊列


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打印機的屬性:打印速度,是否忙



過程:生成和提交打印任務



確定生成概率:實例為每小時會有10個學生提交的20個作業,這樣概率是每180秒會有1個作業生成並提交,概率為每秒1/180。


確定打印頁數:實例是1-20頁,那麼就是1-20頁之間概率相同。



過程:實施打印



當前的打印作業:正在打印的作業


打印結束倒計時:新作業開始打印時開始倒計時,返回0表示打印完畢,可以處理下一個作業。



模擬時間:



統一的時間框架:以最小單位(秒)均勻流逝的時間,設定結束時間


同步所有過程:在一個時間單位里,對生成打印任務和實施打印兩個過程各處理一次



打印任務問題:流程模擬


創建打印隊列對象


時間按照秒的單位流逝



按照概率生成打印作業,加入打印隊列


如果打印機空閑,且隊列不空,則取出隊首作業打印,記錄此作業等待時間


如果打印機忙,則按照打印速度進行1秒打印


如果當前作業打印完成,則打印機進入空閑



時間用盡,開始統計平均等待時間


作業的等待時間



生成作業時,記錄生成的時間戳


開始打印時,當前時間減去生成時間即可



作業的打印時間



生成作業時,記錄作業的頁數


開始打印時,頁數除以打印速度即可



import random

class Printer:
def __init__(self, ppm):
self.pagerate = ppm # 打印速度
self.currentTask = None # 打印任務
self.timeRemaining = 0 # 任務倒計時

def tick(self): # 打印1秒
if self.currentTask != None:
self.timeRemaining -= 1
if self.timeRemaining <= 0:
self.currentTask = None

def busy(self): # 打印機忙
if self.currentTask != None:
return True
else:
return False

def startNext(self, newtask): # 打印新作業
self.currentTask = newtask
self.timeRemaining = newtask.getPages() * 60 / self.pagerate


class Task:
def __init__(self, time):
self.timestamp = time # 生成時間戳
self.pages = random.randrange(1, 21) # 打印頁數

def getStamp(self):
return self.timestamp

def getPages(self):
return self.pages

def waitTime(self, currenttime):
return currenttime - self.timestamp # 等待時間


def newPrintTask():
num = random.randrange(1, 181)
if num == 180:
return True
else:
return False

def simulation(numSeconds, pagesPerMinute): # 模擬
labprinter = Printer(pagesPerMinute)
printQueue = Queue()
waittingtimes = []

for currentSecond in range(numSeconds):
if newPrintTask():
task = Task(currentSecond)
printQueue.enqueue(task)

if not labprinter.busy() and not printQueue.isEmpty():
nexttask = printQueue.dequeue()
waittingtimes.append(nexttask.waitTime(currentSecond))
labprinter.startNext(nexttask)

labprinter.tick()

averageWait = sum(waittingtimes) / len(waittingtimes)
print("Average Wait %6.2f secs %3d tasks remaining" %(averageWait,printQueue.size()))
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