线性结构:队列

文章目录

      • 队列定义
      • 队列应用
        • 热土豆问题
        • 打印任务

队列定义

队尾进,队头出

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rear”端)而现存数据项的移除总发生在另一端(通常称为“首front”端)

当数据项加入队列,首先出现在队尾,随着队首数据项的移除,它逐渐接近队首。

线性结构:队列_第1张图片

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( FIFO:First-infirst-out)先进先出或“先到先服务first-come first-served”

  • 队列的例子出现在我们日常生活的方方面面:排队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

队列应用

  • 打印队列:有任务在打印时,后来的打印请求排成队列FIFO

  • 进程调度:原则综合了“先来先服务”

  • 键盘缓冲:键盘敲击并不马上显示在屏幕上,而是将尚未敲击的字符暂存在队列性质缓冲区

队列操作定义

  • Queue():创建一个空队列对象,返回值为Queue对象;
  • enqueue(item):将数据项item添加到队尾,无返回值;
  • dequeue():从队首移除数据项,返回值为队首数据项,队列被修改;
  • isEmpty():测试是否空队列,返回值为布尔值
  • size():返回队列中数据项的个数
线性结构:队列_第2张图片
class Queue:
    def __init__(self):  # 默认列表最左边为队尾,最右边为队首
        self.items = []  # 容纳Queue数据项

    def is_empty(self):
        return self.items == []

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

    def enqueue(self, item):  # O(n)
        self.items.insert(0, item)  # 添加到队尾

    def dequeue(self):  # O(1)
        return self.items.pop()  # 弹出队首数据项并返回值

队列应用

热土豆问题

类似击鼓传花

用队列来实现热土豆问题的算法,参加游戏的人名列表,以及传土豆次数num,算法返回最后剩下的人名

线性结构:队列_第3张图片

模拟算法

模拟程序采用队列来存放所有参加游戏的人名,按照传递土豆方向从队首排到队尾

  • 游戏时,队首始终是持有土豆的人

模拟游戏开始,只需要将队首的人出队,随即再到队尾入队,算是土豆的一次

  • 传递传递了num次后,将队首的人移除,不再入队如此反复,直到队列中剩余1人

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fp3d0EfO-1689843594037)(./image/image-20230720104036165.png)]

from queue import Queue

def hot_potato(name_list, num):
    simqueue = Queue()  # 创建一个空队列
    for name in name_list:  # 名字全部入列
        simqueue.enqueue(name)
    for i in range(num):  # 进行一轮土豆传递
        # 土豆默认在队首
        simqueue.enqueue(simqueue.dequeue())  # 队首出列重新进队尾
    while simqueue.size() > 1:  # 一轮结束,队首持续出列,直至只剩一人为土豆持有者
        simqueue.dequeue()
    return simqueue.dequeue()

print(hot_potato(["bill", "hary", "gege", "hzh"], 7))
# gege

打印任务

多人共享打印机采取“先来先服务”的队列策略来执行打印任务

实例配置:

  • 一个实验室,在任意的一个小时内,大约有10名学生在场,这一小时中,每人会发起2次左右的打印,每次1~20页

打印机的性能是:

  • 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,但速度下降为每分钟5页。

问题建模

对象:打印任务、打印队列、打印机

  • 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
  • 打印机的属性:打印速度、是否忙
线性结构:队列_第4张图片

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个学生提交的20个作业,这样,概率是每180秒会有1个作业生成并提交,概率为每秒1/180
  • 确定打印页数:实例是120页,那么就是120页之间概率相同。
image-20230720112504781

过程: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

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,对生成打印任务实施打印两个过程各处理一次

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

打印机模拟代码

创建打印机类

from queue import Queue
import random
# 打印机类
class Printer:
    def __init__(self, ppm):
        self.pagerate = ppm  # ppm:打印速度每分钟几张
        self.current_task = None  # 当前打印任务
        self.time_remaining = 0  # 任务倒计时

    def tick(self):  # 打印一秒
        if self.current_task != None:
            self.time_remaining = self.time_remaining - 1
            if self.time_remaining <= 0:
                self.current_task = None

    def busy(self):  # 打印机是否忙
        if self.current_task != None:
            return True
        else:
            return False

    def start_next(self, new_task):  # 打印新作业
        self.current_task = new_task  # 将新任务设置为当前任务
        self.time_remaining = new_task.get_pages() * 60 / self.pagerate  # 任务所需时间:页数*60s/打印速度

创建任务类

# 任务类
class Task:
    def __init__(self, time):
        self.timestamp = time  # 生成时间戳
        self.pages = random.randrange(1, 21)  # 随机生成打印页数

    def get_stamp(self):
        return self.timestamp

    def get_pages(self):
        return self.pages

    def wait_time(self, currenttime):
        return currenttime - self.timestamp  # 当前时间-时间戳=等待时间

新打印任务

# 新打印任务
def new_print_task():
    num = random.randrange(1, 181)  # 1/180的概率生成作业
    if num == 180:
        return True
    else:
        return False

主函数:模拟打印任务

# 模拟
def simulation(num_seconds, pages_perminute):  # 模拟时间,打印机模式(速度)
    labprinter = Printer(pages_perminute)  # 打印机对象
    print_queue = Queue()  # 打印队列
    waiting_times = []  # 记录等待时间列表
# 模拟时间流逝
    for current_second in range(num_seconds):
        if new_print_task():  # 生成新作业
            task = Task(current_second)  # 生成一个任务对象
            print_queue.enqueue(task)  # 将任务入打印队尾
        # 打印机空闲且打印队列有作业时,打印队列队首出队,变为新打印任务
        if (not labprinter.busy()) and (not print_queue.is_empty()):
            next_task = print_queue.dequeue()
            waiting_times.append(next_task.wait_time(current_second))  # 将任务等待时间记录到列表
            labprinter.start_next(next_task)  # 打印机开始新任务

        labprinter.tick()  # 打印机打印一秒
# 打印平均等待时间
    average_wait = sum(waiting_times) / len(waiting_times)
    print("平均等待时间:%6.2f秒 任务剩余:%3d" % (average_wait, print_queue.size()))

测试结果:

按照每分钟打印5张速度,运行3600s(1小时),模拟运行3次

for i in range(10):
    simulation(3600, 5)
# 平均等待时间:108.89秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间: 44.33秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间: 74.18秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间: 77.48秒 任务剩余:  1
# 平均等待时间:167.89秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间:170.67秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间:137.10秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间: 96.61秒 任务剩余:  3
# 平均等待时间:285.11秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间:250.09秒 任务剩余:  1

ps:如果将打印机速度改成10张每分钟,等待时间会大大减少,任务也都无剩余,但是牺牲了打印质量

for i in range(10):
    simulation(3600, 10)
# 平均等待时间: 24.18秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间: 22.43秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间:  6.05秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间: 25.00秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间: 25.71秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间: 30.17秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间:  9.41秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间:  5.56秒 任务剩余:  0
# 平均等待时间:  7.86秒 任务剩余:  0

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