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CS200 Algorithms and Data Structures Colorado State University

Pa ar rt t 2 2. . Q Qu ue eu ue es s

CS 200 Algorithms and Data Structures

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Ou ut tl li in ne e

Queue?

Implementing Queue Comparison implementations

8 CS200 Algorithms and Data Structures Colorado State University 9

Photo ¡by ¡David ¡Jump ¡

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"G Gr ri il ll l t th he e B Bu uf ff fs s" " e ev ve en nt t

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Qu ue eu ue e

A queue is like a line of people. New item enters a queue at its back. Items leave a queue from its front. First-in, first-out (FIFO) behavior Removing and adding are done from

• pposite ends of structure

Useful for scheduling (e.g. print queue, job queue)

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1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ Adding ¡ Removing ¡

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Op pe er ra at ti io

• n

ns s

Create an empty queue Determine whether a queue is empty Add a new item to the queue Remove item from the queue (that was added the earliest) Remove all items from the queue Retrieve item from queue that was added earliest

12

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Qu ue eu ue e O Op pe er ra at ti io

• n

ns s

enqueue(in newItem: QueueItemType)

– Add new item at the back of a queue

dequeue();QueueItemType

– Retrieves and removes the item at the front of a queue

peek(): queueItemType {query}

– Retrieve item from the front of the queue. Retrieve the item that was added earliest.

isEmpty():boolean{query} createQueue() dequeueAll()

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Ou ut tl li in ne e

Queue?

Implementing Queue

Comparison implementations

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Im mp pl le em me en nt ta at ti io

• n

ns s

• f

f Q Qu ue eu ue e

Reference-Based Implementation Array-based Implementation List based Implementation java.util.queue interface

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. ¡

Re ef fe er re en nc ce e-

• b

ba as se ed d I Im mp pl le em me en nt ta at ti io

• n

n( (1 1) )

16

70 ¡ . ¡ 55 ¡ 60 ¡ . ¡

Reference ¡of ¡the ¡Last ¡Node ¡ Reference ¡of ¡the ¡First ¡Node ¡

Needs

– Nodes with the item and a reference to the next item – two external references pointing to the first node and the last node. . ¡

Item ¡ Next ¡

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. ¡

Re ef fe er re en nc ce e-

• b

ba as se ed d I Im mp pl le em me en nt ta at ti io

• n

n( (2 2) )

17

70 ¡ . ¡ 55 ¡ 60 ¡ . ¡

Reference ¡of ¡the ¡Last ¡Node ¡

Single external references

– Circular linked list represents a queue – The node at the back of the queue references the node at the front

Reference ¡of ¡the ¡First ¡Node ¡

. ¡

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. ¡

In ns se er rt ti in ng g a an n i it te em m i in nt to

• a

a n no

• n

ne em mp pt ty y q qu ue eu ue e

18

70 ¡ . ¡ 55 ¡ 60 ¡ . ¡

Reference ¡of ¡the ¡Last ¡Node ¡

Step 1. newNode.next = lastNode.next; Step 2. lastNode.next = newNode; Step 3. lastNode = newNode; 85 ¡ . ¡

New ¡node ¡

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isEmpty()

public class QueuerReferenceBased implements QueueInterface { private Node lastNode; public QueueReferenceBased(){ lastNode = null; } public boolean isEmpty(){ return lastNode == null; } }

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In ns se er rt t n ne ew w i it te em m i in nt to

• t

th he e q qu ue eu ue e

public void enqueue (Object newItem){ Node newNode = new Node(newItem); if (isEmpty()){ newNode.next = newNode; } else { newNode.next = lastNode.next; lastNode.next = newNode; } lastNode = newNode; }

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• A. ¡Empty ¡queue ¡
• B. ¡More ¡than ¡1 ¡item ¡

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In ns se er rt ti in ng g a a N Ne ew w I It te em m

21

. ¡

Insert a new item into the empty queue

Reference ¡of ¡the ¡Last ¡Node ¡

60 ¡ . ¡

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Reference ¡of ¡New ¡Node ¡

. ¡

In ns se er rt ti in ng g a a N Ne ew w I It te em m

Insert a new item into a queue that has more than 1 items.

22

70 ¡ . ¡ 60 ¡ . ¡ 80 ¡ . ¡

Reference ¡of ¡the ¡Last ¡Node ¡

. ¡

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Re em mo

• v

vi in ng g a an n i it te em m f fr ro

• m

m q qu ue eu ue e

public Object dequeue() throws QueueException{ if (!isEmpty()){ Node firstNode = lastNode.next; if (FirstNode == lastnode) { lastNode = null; } else{ lastNode.next = firstNode.next; } return firstNode.item; } else { exception handling.. } }

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Why? ¡

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Pe ee ek k? ?

public Object peek() throws QueueException { if (!isEmpty()){ Node firstNode = lastNode.next; return firstNode.item; }else { throw new QueueException(your_message); } }

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Im mp pl le em me en nt ti in ng g q qu ue eu ue e w wi it th h A Ar rr ra ay y

We need,

– An array of objects to store items – variables to point to the “front” and “back” index of the array

25

0 ¡ 1 ¡

2 ¡ 4 ¡

MAX_QUEUE ¡-­‑1 ¡

0 ¡

1 ¡

2 ¡

3 ¡

Front ¡ Back ¡ items ¡

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Im mp pl le em me en nt ti in ng g q qu ue eu ue e w wi it th h A Ar rr ra ay y

Queue is empty if back is less than front Inserting an item

– Initially front is 0, back is -1 – Increment back – Place new item in items[back]

Queue will be full if back equals MAX_QUEUE - 1

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Im mp pl le em me en nt ti in ng g q qu ue eu ue e w wi it th h A Ar rr ra ay y

Removing an item

– Remove item from items[front] – Increment front

Rightward drift

– After a sequence of additions and removals, items in the queue will drift toward the end

• f the array

– back can reach MAX_QUEUE-1 even when the queue contains only few items.

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So

• l

lv vi in ng g R Ri ig gh ht tw wa ar rd d D Dr ri if ft t P Pr ro

• b

bl le em m ( (1 1) )

Shifting array elements to the left. Therefore front is always pointing to items[0]. Cost of implementation

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So

• l

lv vi in ng g R Ri ig gh ht tw wa ar rd d D Dr ri if ft t P Pr ro

• b

bl le em m ( (2 2) )

Circular implementation of a queue

29

1 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 0 ¡ MAX_QUEUE-­‑1 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 4 ¡ 7 ¡

F R O N T ¡ BACK ¡

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So

• l

lv vi in ng g R Ri ig gh ht tw wa ar rd d D Dr ri if ft t P Pr ro

• b

bl le em m ( (2 2) )

Delete

30

1 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 0 ¡ MAX_QUEUE-­‑1 ¡ 1 ¡ 2 ¡ 4 ¡ 7 ¡

F R O N T ¡ BACK ¡

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So

• l

lv vi in ng g R Ri ig gh ht tw wa ar rd d D Dr ri if ft t P Pr ro

• b

bl le em m ( (2 2) )

Delete

31

1 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 0 ¡ MAX_QUEUE-­‑1 ¡ 1 ¡ 4 ¡ 7 ¡

BACK ¡ F R O N T ¡

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So

• l

lv vi in ng g R Ri ig gh ht tw wa ar rd d D Dr ri if ft t P Pr ro

• b

bl le em m ( (2 2) )

Insert 9

32

1 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 0 ¡ MAX_QUEUE-­‑1 ¡ 1 ¡ 7 ¡

BACK ¡ FRONT ¡

9 ¡

BACK ¡

When ¡either ¡front ¡or ¡back ¡ advances ¡past ¡MAX_QUEUE-­‑1, ¡ it ¡wraps ¡around ¡0 ¡

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Qu ue eu ue e w wi it th h S Si in ng gl le e I It te em m

Queue contains only one item. back and front are pointing at the same slot.

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1 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 0 ¡ MAX_QUEUE-­‑1 ¡ 1 ¡ 7 ¡

FRONT ¡

9 ¡

BACK ¡ FRONT ¡

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Qu ue eu ue e w wi it th h S Si in ng gl le e I It te em m

The last item is removed. Queue is empty.

– front passed back.

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1 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 0 ¡ MAX_QUEUE-­‑1 ¡ 9 ¡

BACK ¡ FRONT ¡ FRONT ¡

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In ns se er rt t t th he e l la as st t i it te em m

back catches up to front when the queue becomes full.

35

1 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 0 ¡ MAX_QUEUE-­‑1 ¡ 9 ¡

BACK ¡ FRONT ¡

7 ¡ 2 ¡ 6 ¡ 4 ¡ 8 ¡ 1 ¡ 0 ¡

BACK ¡

When ¡the ¡queue ¡is ¡FULL ¡ front ¡is ¡one ¡slot ¡ahead ¡ back ¡as ¡well. ¡ ¡ Keep ¡the ¡count ¡of ¡items ¡and ¡ ¡ Check ¡if ¡the ¡count ¡is ¡equal ¡to ¡ ¡ MAX_QUEUE ¡

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Wr ra ap pp pi in ng g t th he e v va al lu ue es s f fo

• r

r f fr ro

• n

nt t a an nd d b ba ac ck k

Initializing

– Front = 0 – Back = MAX_QUEUE-1 – Count = 0

Adding back = (back+1) % MAX_QUEUE; items[back] = newItem; ++count; Deleting deleteItem = items[front]; front = (front +1) % MAX_QUEUE;

• -count;

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enqueue w wi it th h A Ar rr ra ay y

public void enqueue(Object newItem) throws QueueException{ if (!isFull()){ back = (back+1) % (MAX_QUEUE); items[back] = newItem; ++count; }else { throw QueueException(your_message); } }

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dequeue() )

public Object dequeue() throws QueueException{ if (!isEmpty()){ Object queueFront = items[front]; front = (front+1) % (MAX_QUEUE);

• -count;

return queueFront; }else{ throw new QueueException (your_message); } }

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Im mp pl le em me en nt ta at ti io

• n

n w wi it th h L Li is st t

You can implement operation dequeue() as the list operation remove(0). peek() as get(0) enqueue() as add (size()-1, newItem)

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2 ¡ ¡4 ¡ ¡1 ¡ ¡7 ¡

Front ¡of ¡queue ¡ Back ¡of ¡queue ¡ Posion ¡in ¡the ¡list ¡

0 ¡ ¡1 ¡ ¡2 ¡ ¡3 ¡ ¡

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Ou ut tl li in ne e

Queue? Implementing Queue

Comparison implementations

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java.util.Queue

extends java.util.Collection add(e), remove(), element()

• ffer(e), poll(), peek()

java.util.Deque:

– Subinterface of queue – A linear collection that supports element insertion and removal at both ends.

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Su um mm ma ar ry y

• f

f Q Qu ue eu ue e O Op pe er ra at ti io

• n

ns s ( (F FI IF FO O) )

ADT ¡Queue ¡ JCF ¡Queue ¡ JCF ¡Deque ¡

enqueue(e) add(e) addLast(e)

• ffer(e)
• fferLast(e)

dequeue() remove() removeFirst() poll() pollFirst() peek() peek() peekFirst() element() getFirst()

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SLIDE 7

1/22/13 ¡ 7 ¡

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Su um mm ma ar ry y

• f

f L LI IF FO O

• p

pe er ra at ti io

• n

ns s

ADT Stack JCF Stack JCF Deque push(e) push(e) addFirst(e) pop() pop() removeFirst() peek() peek() peekFirst()

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Su um mm ma ar ry y

• f

f P Po

• s

si it ti io

• n

n-

• O

Or ri ie en nt te ed d A AD DT Ts s

Stack, queue, and list (so far) createStack and createQueue isEmpty for stack and queue push and enqueue pop and dequeue Stack peek and queue peek

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