线性队列和循环队列的区别

2025年4月19日 | 阅读 6 分钟

什么是线性队列?

线性队列是一种线性数据结构,它首先服务于最先到达的请求。它由线性连接的数据元素组成。它有两个指针,即 front 和 rear,其中插入发生在 front 端,删除发生在 front 端。

Linear vs Circular Queue

线性队列的操作

线性队列可以执行两种操作

  • 入队 (Enqueue): 入队操作从 rear 端插入新元素。
  • 出队 (Dequeue): 出队操作用于从队列的 front 端删除现有元素。

什么是循环队列?

我们知道,在队列中,front 指针指向第一个元素,而 rear 指针指向队列的最后一个元素。线性队列存在的问题是,如果队列开头出现一些空单元格,我们就无法在空闲空间插入新元素,因为 rear 无法进一步增加。

循环队列也是一种线性数据结构,像普通队列一样遵循 FIFO 原则,但它不会结束队列;它将队列的最后一个位置连接到队列的第一个位置。如果我们想在队列的开头插入新元素,我们可以使用循环队列数据结构来插入。

在循环队列中,当 rear 到达队列的末尾时,rear 会重置为零。这有助于重新填充所有空闲空间。如果队列的第一个位置在队列的最后一个位置之后,则可以克服管理循环队列的问题。

Linear vs Circular Queue

队列成为循环队列的条件

  • Front == 0 且 rear = n-1
  • Front = rear + 1

如果满足上述任一条件,则表示队列是循环队列。

循环队列的操作

循环队列可以执行以下两种操作

  • 入队 (Enqueue): 它在队列中插入一个元素。下面是在插入元素时可以考虑的场景
    1. 如果队列为空,则 front 和 rear 都设置为 0 以插入新元素。
    2. 如果队列不为空,则 rear 的值会增加。
    3. 如果队列不为空且 rear 等于 n-1,则 rear 设置为 0。
  • 出队 (Dequeue): 它在队列中执行删除操作。下面是在删除元素时可以考虑的要点或情况
    1. 如果队列中只有一个元素,在队列上执行出队操作后,队列将变空。在这种情况下,front 和 rear 的值设置为 -1。
    2. 如果 front 的值等于 n-1,在执行出队操作后,front 变量的值设置为 0。
    3. 如果上述任一条件未满足,则 front 的值会增加。

线性队列与循环队列的区别

Linear vs Circular Queue
比较基础线性队列循环队列
含义线性队列是一种线性数据结构,它以顺序方式包含元素。循环队列也是一种线性数据结构,其中队列的最后一个元素连接到第一个元素,从而形成一个循环。
插入和删除在线性队列中,插入从 rear 端完成,删除从 front 端完成。在循环队列中,插入和删除可以从任何一端进行。
内存空间线性队列占用的内存空间多于循环队列。与线性队列相比,它需要更少的内存。
内存利用内存使用效率低下。内存可以更有效地利用。
执行顺序它遵循 FIFO 原则来执行任务。它没有特定的执行顺序。
实现复杂性线性队列实现简单。因为在线性队列中,我们可以从一端添加元素,从另一端移除元素。循环队列有一些额外的实现来处理队列的循环特性。在队列中,当我们需要增加或减少指针时,我们必须围绕保存队列元素的数组进行环绕。
遍历在线性队列中,我们可以通过从 front 到 rear 遍历队列,依次访问每个元素来遍历元素。队列在遍历过程中有一些特殊处理,以确保所有元素都按正确顺序访问,尤其是当队列环绕时。
溢出处理有时线性队列在尝试从空队列出队时面临下溢条件,即当 front 指针追上 rear 指针时。循环队列能够处理溢出条件,这取决于实现,可以通过显式信号下溢或隐式允许 front 和 rear 指针环绕并继续访问元素。
用途线性队列可用于需要 FIFO 行为的场景,例如打印队列、任务调度或事件处理。循环队列可用于需要内存利用和循环缓冲的场景,例如操作系统中用于管理 I/O 缓冲区或网络中用于管理大小不等的数据包。
操作效率线性队列在变大时会变得效率低下。删除元素后,剩余的元素可能需要移动。队列大小也可能需要增加以容纳更多元素。这些入队和出队操作随着队列大小的增长会变慢。然而,有一些方法可以管理这种情况,例如使用循环缓冲区或动态调整队列大小以保持效率。循环队列在添加和删除元素时保持固定的时间复杂度,无论队列中有多少项,只要容量保持不变。这是因为通过移动 front 和 rear 指针来添加或删除元素,而无需移动其他元素。无论队列大小如何,都保持恒定的时间复杂度。
实现灵活性线性队列易于设置和理解,使其适用于不复杂的任务或当先进先出 (FIFO) 顺序足够时。它们提供了一种直接的数据管理方法,有效处理处理顺序重要的场景。循环队列为特定应用提供了更大的灵活性,在这些应用中环绕行为很有用,例如在用于管理数据流的循环缓冲区或需要高效循环操作的系统中。
数据结构稳定性线性队列会随着时间的推移变得不稳定或容易碎片化,特别是如果经常添加和删除元素。这可能导致性能下降。保持线性队列的稳定性对于确保高效可靠的操作很重要。仔细管理队列元素,包括限制不必要的添加和删除,可以帮助防止这些问题并保持完整性。循环队列提供稳定的性能和内存使用,无论入队和出队操作的数量如何。这使得它们非常适合长时间运行的应用程序或稳定性至关重要的系统。循环队列的一致行为确保了可靠的操作,使其成为对一致性能至关重要的场景的首选。