Giải thuật và lập trình - C: III. Hàng đợi (QUEUE)


Đăng ký nhận thông báo về những video mới nhất

III. HÀNG ĐỢI (QUEUE)

1. Định Nghĩa

Hàng đợi, hay ngắn gọn là hàng (queue) cũng là một danh sách đặc biệt mà phép thêm vào chỉ thực hiện tại một đầu của danh sách, gọi là cuối hàng (REAR), còn phép loại bỏ thì thực hiện ở đầu kia của danh sách, gọi là đầu hàng (FRONT).

Xếp hàng mua vé xem phim là một hình ảnh trực quan của khái niệm trên, người mới đến thêm vào cuối hàng còn người ở đầu hàng mua vé và ra khỏi hang, vì vậy hàng còn được gọi là cấu trúc FIFO (first in - first out) hay "vào trước - ra trước".

Tiếp theo đây chúng ta sẽ thảo luận một vài phép toán cơ bản nhất trên hàng.

2. Các phép toán cơ bản trên hàng

  • MAKENULL_QUEUE(Q) khởi tạo hàng Q rỗng.
  • FRONT(Q) hàm trả về phần tử đầu tiên của hàng Q.
  • ENQUEUE(x,Q) thêm phần tử x vào cuối hàng Q.
  • DEQUEUE(Q) xoá phần tử tại đầu của hàng Q.
  • EMPTY_QUEUE(Q) hàm kiểm tra hàng Q rỗng.
  • FULL_QUEUE(Q) kiểm tra hàng Q đầy.

3. Cài đặt hàng

Như đã trình bày trong phần ngăn xếp, ta hoàn toàn có thể dùng danh sách để biểu diễn cho một hàng và dùng các phép toán đã được cài đặt của danh sách để cài đặt các phép toán trên hàng. Tuy nhiên làm như vậy có khi sẽ không hiệu quả, chẳng hạn dùng danh sách cài đặt bằng mảng ta thấy lời gọi INSERT_LIST(x,ENDLIST(Q),Q) tốn một hằng thời gian trong khi lời gọi DELETE_LIST(FIRST(Q),Q) để xoá phần tử đầu hàng (phần tử ở vị trí 0 của mảng) ta phải tốn thời gian tỉ lệ với số các phần tử trong hàng để thực hiện việc dời toàn bộ hàng lên một vị trí. Để cài đặt hiệu quả hơn ta phải có một suy nghĩ khác dựa trên tính chất đặc biệt của phép thêm và loại bỏ một phần tử trong hàng.

a. Cài đặt hàng bằng mảng

Ta dùng một mảng để chứa các phần tử của hàng, khởi đầu phần tử đầu tiên của hàng được đưa vào vị trí thứ 1 của mảng, phần tử thứ 2 vào vị trí thứ 2 của mảng... Giả sử hàng có n phần tử, ta có front=0 và rear=n-1. Khi xoá một phần tử front tăng lên 1, khi thêm một phần tử rear tăng lên 1. Như vậy hàng có khuynh hướng đi xuống, đến một lúc nào đó ta không thể thêm vào hàng được nữa (rear=maxlength-1) dù mảng còn nhiều chỗ trống (các vị trí trước front) trường hợp này ta gọi là hàng bị tràn (xem hình II.11).Trong trường hợp toàn bộ mảng đã chứa các phần tử của hàng ta gọi là hàng bị đầy.

Cách khắc phục hàng bị tràn

  • Dời toàn bộ hàng lên front -1 vị trí, cách này gọi là di chuyển tịnh tiến. Trong trường hợp này ta luôn có front<=rear.
  • Xem mảng như là một vòng tròn nghĩa là khi hàng bị tràn nhưng chưa đầy ta thêm phần tử mới vào vị trí 0 của mảng, thêm một phần tử mới nữa thì thêm vào vị trí 1 (nếu có thể)...Rõ ràng cách làm này front có thể lớn hơn rear. Cách khắc phục này gọi là dùng mảng xoay vòng (xem hình II.12).

Di chuyển tịnh tiến

Hình II.11 : Minh họa việc di chuyển tịnh tiến các phần tử khi hàng bị tràn

Cài đặt hàng bằng mảng theo phương pháp tịnh tiến

Để quản lý một hàng ta chỉ cần quản lý đầu hàng và cuối hàng. Có thể dùng 2 biến số nguyên chỉ vị trí đầu hàng và cuối hàng

Các khai báo cần thiết

#define MaxLength ... //chiều dài tối đa của mảng

typedef ... ElementType;

//Kiểu dữ liệu của các phần tử trong hàng

typedef struct {

    ElementType Elements[MaxLength];

    //Lưu trữ nội dung các phần tử

    int Front, Rear; //chỉ số đầu và đuôi hàng

} Queue;

Tạo hàng rỗng

Lúc này front và rear không trỏ đến vị trí hợp lệ nào trong mảng vậy ta có thể cho front và rear đều bằng -1.

void MakeNull_Queue(Queue *Q){

    Q->Front=-1;

    Q->Rear=-1;

}

Kiểm tra hàng rỗng

Trong quá trình làm việc ta có thể thêm và xóa các phần tử trong hàng. Rõ ràng, nếu ta có đưa vào hàng một phần tử nào đó thì front > -1. Khi xoá một phần tử ta tăng front lên 1. Hàng rỗng nếu front > rear. Hơn nữa khi mới khởi tạo hàng, tức là front = -1, thì hàng cũng rỗng. Tuy nhiên để phép kiểm tra hàng rỗng đơn giản, ta sẽ làm một phép kiểm tra khi xoá một phần tử của hàng, nếu phần tử bị xoá là phần tử duy nhất trong hàng thì ta đặt lại front = -1. Vậy hàng rỗng khi và chỉ khi front = -1.

int Empty_Queue(Queue Q){

    return Q.Front==-1;

}

Kiểm tra đầy

Hàng đầy nếu số phần tử hiện có trong hàng bằng số phần tử trong mảng.

int Full_Queue(Queue Q){

    return (Q.Rear-Q.Front+1)==MaxLength;

}

Xóa phần tử ra khỏi hàng

Khi xóa một phần tử đầu hàng ta chỉ cần cho front tăng lên 1. Nếu front > rear thì hàng thực chất là hàng đã rỗng, nên ta sẽ khởi tạo lại hàng rỗng (tức là đặt lại giá trị front = rear= -1).

void DeQueue(Queue *Q){

    if (!Empty_Queue(*Q)){

        Q->Front=Q->Front+1;

        if (Q->Front>Q->Rear) MakeNull_Queue(Q);

        //Dat lai hang rong

    }

    else printf("Loi: Hang rong!");

}

Thêm phần tử vào hàng

Một phần tử khi được thêm vào hàng sẽ nằm kế vị trí Rear cũ của hàng. Khi thêm một phần tử vào hàng ta phải xét các trường hợp sau:

    Nếu hàng đầy thì báo lỗi không thêm được nữa.

    Nếu hàng chưa đầy ta phải xét xem hàng có bị tràn không. Nếu hàng bị tràn ta di chuyển tịnh tiến rồi mới nối thêm phần tử mới vào đuôi hàng ( rear tăng lên 1). Đặc biệt nếu thêm vào hàng rỗng thì ta cho front=0 để front trỏ đúng phần tử đầu tiên của hàng.

void EnQueue(ElementType X,Queue *Q){

    if (!Full_Queue(*Q)){

        if (Empty_Queue(*Q)) Q->Front=0;

        if (Q->Rear==MaxLength-1){

            //Di chuyen tinh tien ra truoc Front -1 vi tri

            for(int i=Q->Front;i<=Q->Rear;i++)

                Q->Elements[i-Q->Front]=Q->Elements[i];

            //Xac dinh vi tri Rear moi

            Q->Rear=MaxLength - Q->Front-1;

            Q->Front=0;

        }

        //Tang Rear de luu noi dung moi

        Q->Rear=Q->Rear+1;

        Q->Element[Q->Rear]=X;

    }

    else printf("Loi: Hang day!");

}

b. Cài đặt hàng với mảng xoay vòng

Mảng xoay vòng

Hình II.12 Cài đặt hàng bằng mảng xoay vòng

Với phương pháp này, khi hàng bị tràn, tức là rear=maxlength-1, nhưng chưa đầy, tức là front>0, thì ta thêm phần tử mới vào vị trí 0 của mảng và cứ tiếp tục như vậy vì từ 0 đến front-1 là các vị trí trống. Vì ta sử dụng mảng một cách xoay vòng như vậy nên phương pháp này gọi là phương pháp dùng mảng xoay vòng.

Các phần khai báo cấu trúc dữ liệu, tạo hàng rỗng, kiểm tra hàng rỗng giống như phương pháp di chuyển tịnh tiến.

Khai báo cần thiết

#define MaxLength ... //chiều dài tối đa của mảng

typedef ... ElementType;

//Kiểu dữ liệu của các phần tử trong hàng

typedef struct {

    ElementType Elements[MaxLength];

    //Lưu trữ nội dung các phần tử

    int Front, Rear; //chỉ số đầu và đuôi hàng

} Queue;

Tạo hàng rỗng

Lúc này front và rear không trỏ đến vị trí hợp lệ nào trong mảng vậy ta có thể cho front và rear đều bằng -1.

void MakeNull_Queue(Queue *Q){

    Q->Front=-1;

    Q->Rear=-1;

}

Kiểm tra hàng rỗng

int Empty_Queue(Queue Q){

    return Q.Front==-1;

}

Kiểm tra hàng đầy

Hàng đầy nếu toàn bộ các ô trong mảng đang chứa các phần tử của hàng. Với phương pháp này thì front có thể lớn hơn rear. Ta có hai trường hợp hàng đầy như sau:

  • Trường hợp Q.Rear=Maxlength-1 và Q.Front =0
  • Trường hợp Q.Front =Q.Rear+1.

Để đơn giản ta có thể gom cả hai trường hợp trên lại theo một công thức như sau: (Q.rear-Q.front +1) mod Maxlength =0

int Full_Queue(Queue Q){

    return (Q.Rear-Q.Front+1) % MaxLength==0;

}

Xóa một phần tử ra khỏi hàng đợi

Khi xóa một phần tử ra khỏi hàng, ta xóa tại vị trí đầu hàng và có thể xảy ra các trường hợp sau:

    Nếu hàng rỗng thì báo lỗi không xóa;

    Ngược lại, nếu hàng chỉ còn 1 phần tử thì khởi tạo lại hàng rỗng;

    Ngược lại, thay đổi giá trị của Q.Front.

    (Nếu Q.front != Maxlength-1 thì đặt lại Q.front = q.Front +1; Ngược lại Q.front=0)

void DeQueue(Queue *Q){

    if (!Empty_Queue(*Q)){

        //Nếu hàng chỉ chứa một phần tử thì khởi tạo hàng lại

        if (Q->Front==Q->Rear) MakeNull_Queue(Q);
        else Q->Front=(Q->Front+1) % MaxLength;

        //tăng Front lên 1 đơn vị

    }

    else printf("Loi: Hang rong!");

}

Thêm một phần tử vào hàng

Khi thêm một phần tử vào hàng thì có thể xảy ra các trường hợp sau:

  • Trường hợp hàng đầy thì báo lỗi và không thêm;
  • Ngược lại, thay đổi giá trị của Q.rear (Nếu Q.rear =maxlength-1 thì đặt lại Q.rear=0; Ngược lại Q.rear =Q.rear+1) và đặt nội dung vào vị trí Q.rear mới.

void EnQueue(ElementType X,Queue *Q){

    if (!Full_Queue(*Q)){

        if (Empty_Queue(*Q)) Q->Front=0;

        Q->Rear=(Q->Rear+1) % MaxLength;

        Q->Elements[Q->Rear]=X;

    }

    else printf("Loi: Hang day!");

}

Cài đặt hàng bằng mảng vòng có ưu điểm gì so với bằng mảng theo phương pháp tịnh tiến? Trong ngôn ngữ lập trình có kiểu dữ liệu mảng vòng không?

c. Cài đặt hàng bằng danh sách liên kết (cài đặt bằng con trỏ)

Cách tự nhiên nhất là dùng hai con trỏ front và rear để trỏ tới phần tử đầu và cuối hàng.

Hàng được cài đặt như một danh sách liên kết có Header là một ô thực sự, xem hình II.13.

Khai báo cần thiết

typedef ... ElementType; //kiểu phần tử của hàng

typedef struct Node{

    ElementType Element;

    Node* Next; //Con trỏ chỉ ô kế tiếp

};

typedef Node* Position;

typedef struct{

    Position Front, Rear;

    //là hai trường chỉ đến đầu và cuối của hàng

} Queue;

Khởi tạo hàng rỗng

Khi hàng rỗng Front va Rear cùng trỏ về 1 vị trí đó chính là ô header.

Khởi tạo hàng rỗng

Hình II.13: Khởi tạo hàng rỗng

void MakeNullQueue(Queue *Q){

    Position Header;

    Header = (Node*)malloc(sizeof(Node)); //Cấp phát Header

    Header->Next=NULL;

    Q->Front=Header;

    Q->Rear=Header;

}

Kiểm tra hàng rỗng

Hàng rỗng nếu Front và Rear chỉ cùng một vị trí là ô Header.

int EmptyQueue(Queue Q){

    return (Q.Front==Q.Rear);

}

Hàng sau khi thêm và xóa phần tử

Hình II.14 Hàng sau khi thêm và xóa phần tử

Thêm một phần tử vào hàng

Thêm một phần tử vào hàng ta thêm vào sau Rear (Rear->next ), rồi cho Rear trỏ đến phần tử mới này, xem hình II.14. Trường next của ô mới này trỏ tới NULL.

void EnQueue(ElementType X, Queue *Q){

    Q->Rear->Next=(Node*)malloc(sizeof(Node));

    Q->Rear=Q->Rear->Next;

    //Dat gia tri vao cho Rear

    Q->Rear->Element=X;

    Q->Rear->Next=NULL;

}

Xóa một phần tử ra khỏi hàng

Thực chất là xoá phần tử nằm ở vị trí đầu hàng do đó ta chỉ cần cho front trỏ tới vị trí kế tiếp của nó trong hàng.

void DeQueue(Queue *Q){

    if (!Empty_Queue(Q)){

        Position T;

        T=Q->Front;

        Q->Front=Q->Front->Next; free(T);

    }

    else printf(”Loi : Hang rong”);

}

4. Một số ứng dụng của cấu trúc hàng

Hàng đợi là một cấu trúc dữ liệu được dùng khá phổ biến trong thiết kế giải thuật. Bất kỳ nơi nào ta cần quản lý dữ liệu, quá trình... theo kiểu vào trước-ra trước đều có thể ứng dụng hàng đợi.

Ví dụ rất dễ thấy là quản lý in trên mạng, nhiều máy tính yêu cầu in đồng thời và ngay cả một máy tính cũng yêu cầu in nhiều lần. Nói chung có nhiều yêu cầu in dữ liệu, nhưng máy in không thể đáp ứng tức thời tất cả các yêu cầu đó nên chương trình quản lý in sẽ thiết lập một hàng đợi để quản lý các yêu cầu. Yêu cầu nào mà chương trình quản lý in nhận trước nó sẽ giải quyết trước.

Một ví dụ khác là duyệt cây theo mức được trình bày chi tiết trong chương sau. Các giải thuật duyệt theo chiều rộng một đồ thị có hướng hoặc vô hướng cũng dùng hàng đợi để quản lý các nút đồ thị. Các giải thuật đổi biểu thức trung tố thành hậu tố, tiền tố.


Nếu bạn có điều thắc mắc, bạn hãy comment cho V1Study để được giải đáp.
Bài viết này được chia sẻ bởi LongDT. Nếu bạn muốn chia sẻ bài viết, bạn hãy Đăng ký làm thành viên!
« Prev
Next »
Copied !!!