数据结构---队列及其应用

一、实验目的

1.掌握队列的基本概念、基本操作和基本使用方式。
2.掌握循环队列的类型定义以及实现方法。
3.掌握循环队列的基本操作:初始化、入队、出队、队空判断、获取队头元素。
4.掌握循环队列的实现和简单应用。
5.能够清楚理解循环队列中空间的重用思想。

二、实验内容

1.设计和实现一个队列数据结构,且采用循环队列实现方法。
2.实现循环队列的各种操作,包括循环队列的初始化、出入队、清空和释放等。
3.在所实现循环队列的基础上,实现循环队列的简单应用:设计并实现一个改进的凯撒加密算法,并实现加密和解密操作。

三、实验步骤

1.建立本次实验的项目。
2.增加一个文件CircularQueue.h，用于存储循环队列的实现，另外再增加文件main.cpp用于实现本次实验的应用，并引用上述文件。
3.设计循环队列数据结构，并对循环队列的操作加以实现。
4.利用循环队列，设计实现改进的凯撒加密方法。
5.在main函数中实现算法，并实现算法的输入输出，以验证算法的正确性。
6.输入各种密钥和字符串进行测试。
7.整理并上交实验报告，注意代码的复制或截图。

四、实验代码

一、队列的定义

#pragma once
#define MAXSIZE 10
#define TypeElem char
typedef struct CircularQueue
{
	TypeElem * data;
	int head, tail;
}CircularQueue;

bool InitQueue(CircularQueue& q)
{
	q.data = new TypeElem[MAXSIZE];//开辟空间
	if (!q.data) return false;
	q.head = q.tail = 0;
	return false;
}

bool QueueEmpty(CircularQueue q)
{
	return q.head == q.tail;
}

bool QueueFull(CircularQueue q)
{
	return (q.tail + 1) % MAXSIZE == q.head;
}

bool InsertQueue(CircularQueue& q, TypeElem e)
{
	if (QueueFull(q)) return false;
	//采取循环队列
	q.data[q.tail++] = e;
	q.tail %= MAXSIZE;
	return true;
}

bool DelQueue(CircularQueue& q,TypeElem &e)
{
	//出队并返回该对头元素
	if (QueueEmpty(q)) return false;
	e = q.data[q.head++];
	q.head %= MAXSIZE;
	return true;
}

bool GetFront(CircularQueue q, TypeElem& e)
{
	if (QueueEmpty(q)) return false;
	e = q.data[q.head];//对头赋值给元素e
	return true;
}

void ClearQueue(CircularQueue& q)
{
	q.head = q.tail = 0;
}

void DestortQueue(CircularQueue& q)
{
	//释放空间
	delete[] q.data;
	q.head = q.tail = 0;
}

二、算法的初始化和实现

#include
#include
#include"CircularQueue.h"
using namespace std;
int main()
{
	//改进莫德凯撒加密法
	CircularQueue q;
	InitQueue(q);//初始化
	string s1, s2, s3, s4;//分别存放密钥、明文、密文、解密的明文
	cout << "请输入密钥：";
	cin >> s1;
	getchar();//吃一个回车缓存区
	//统一变成大写
	for (int i = 0; i < s1.length(); ++i)
		if (s1[i] >= 'a' && s1[i] <= 'z')
			s1[i] = s1[i] - 'a' + 'A';
	cout << "请输入要加密的消息：";
	getline(cin,s2);//读一整行直到读到回车
	for (int i = 0; i < s2.length(); ++i)
		if (s2[i] >= 'a' && s2[i] <= 'z')
			s2[i] = s2[i] - 'a' + 'A';
	for (int i = 0; i < s1.length(); ++i)
		InsertQueue(q, s1[i]);//插入队列元素
	s3.resize(s2.length());
	//加密
	for (int i = 0; i < s2.length(); ++i)
	{
		if (s2[i] > 'Z' || s2[i] < 'A')
		{
			s3[i] = s2[i];
			continue;//如果不是大写字母直接赋值
		}
		char c;
		DelQueue(q, c);//删除对头并取出赋值给c
		s3[i] = s2[i] + c - 'A';
		if (c > 'Z') s3[i] -= 26;//防止太小
		InsertQueue(q, c);//再次进入循环
		if (i == s2.length() - 1)
			s3[s2.length()] = '\0';//最后给上结束元素标志
	}
	//解密
	s4.resize(s3.length());
	ClearQueue(q);//清空重新输入
	for (int i = 0; i < s1.length(); ++i)
		InsertQueue(q, s1[i]);//插入队列元素
	for (int i = 0; i < s3.length(); ++i)
	{
		if (s3[i] > 'Z' || s3[i] < 'A')
		{
			s4[i] = s3[i];
			continue;//其他字符直接赋值
		}
		char c;
		DelQueue(q, c);//删除对头并取出赋值给c
		s4[i] = s3[i] - (c - 'A');
		if (s4[i] < 'A') s4 += 26;//防止太小
		InsertQueue(q, c);//再次循环
	}
	cout << "明文：" << s2 << endl;
	cout << "密文：" << s3 << endl;
	cout << "解密：" << s4 << endl;
	return 0;
}

五、总结

1.队列是一种具有操作约束的线性表，其功能表现于：只能在一端插入，在另一端删除，特点为先进先出，后进后出。
2.我们最常见的队列有：顺序队列，循环队列，链队列以及双向队列；本实验采用的是循环队列，而且是采取空一个元素的方式循环。
3.如果采取链式队列可以如下定义

struct Queue
{
	TypeElem data;
	Queue* next;
};

4.如果采取顺序队列可以如下定义

struct Queue
{
	TypeElem data;
	int head, tail;
};