что такое очередь в программировании
Очередь
Рассмотрим рисунок. Поскольку 1 помещена в очередь до 2, она так же уйдет первой из очереди. Это следует правилу FIFO.
Мы можем реализовать очередь на любом языке программирования, таком как C, C ++, Java, Python или C #, почти с одинаковой спецификацией.
Технические характеристики очереди
Как работает очередь
Операции с очередями работают следующим образом:
Реализация очереди на языке программирования
Наиболее распространенная реализация очереди использует массивы, но также очередь может быть реализована с использованием списков.
Реализация с использованием C-программирования
Когда вы запускаете эту программу, вы получаете следующее:
Реализация с использованием программирования на C ++
После запуска мы получим:
Ограничение этой реализации
Как вы можете видеть на изображении ниже, через некоторое время после добавления в очередь и удаления из очереди, размер очереди был уменьшен.
Индексы 0 и 1 могут использоваться только после сброса очереди, когда все элементы удалены.
Изменяя код для очереди, мы можем использовать пространство путем реализации модифицированной очереди, называемой циклической очередью.
Очереди в программировании. Просто о сложном
Представьте, что вы владелец сайта фотогалереи. И каждый пользователь может загрузить несколько картинок за один раз. Задача скрипта состоит в том, чтобы обработать все картинки, загруженные пользователем, и создать превью маленького размера для каждой из них.
Если, при загрузке, пользователь выберет одно, или два изображения, то он не будет ждать слишком долгого окончания загрузки и ответ сервера будет достаточно комфортным. Но, представьте, что случится, если пользователь попытается загрузить целую папку из 10, а то и 30 картинок. То мало того, что он будет ждать, пока все превьюхи сгенерируются, так ещё, и при единственной ошибке, загружать всё придётся по-новому.
Браузер безпроблемно поддерживает многофайловую загрузку. Это удобно, и существенно повышает юзабилити на сайте. Так, вместо многоразового скроллинга, и выбора файла, можно указать за один раз все необходимые. Это отличная функция на клиенте, однако, стоит научиться работать с многофайловой загрузкой на самом сервере.
Жизненный цикл загрузки файлов без очереди
Обычный процесс загрузки выглядит так: 
Исходя из этой картинки, можно понять, что при таком подходе, может возникнуть множество ситуаций, при которых скрипт отработает неправильно.
Основные проблемы, которые могут возникнуть, когда:
И при любой из этих ошибок, пользователь будет необходимо повторить загрузку заново. А, поверьте мне, не каждый пользователь вытерпит загрузку изображений в виде лотереи, и уйдёт с вашего сайта после первой-второй такой ошибки.
Не исключая и благоприятный исход, пользователь будет продолжать пользоваться вашим сервисом, так что это тоже имеет право на жизнь.
PHP + очередь
Как только пользователь завершает загрузку изображений, в очередь добавляется новая задача, и выполняется. Воркер очереди картинок видит новую задачу, и начинает генерировать их превью.
Вы же, на стороне клиента можете показать сообщение «мы обрабатываем ваши изображения, ожидайте«, а в то время, пока они будут обрабатываться пользователь безпрепяственно может просматривать любые страницы вашего приложения. Теперь вы даете возможность пользователю провести больше времени с пользой на вашем сайте, пока процессы работают в фоне. Пользователь может делать что угодно, даже добавлять новые изображения :).
Воркер обрабатывает задачи настолько быстро, насколько это возможно. Если будет загружено 5 картинок, то задача будет выполнена быстро, если 1000, то это займёт какое-то время. Но, зато, теперь пользователь это время обработки может потратить более полезно, чем при стандартном решении.
После выполнения всех заданий из очереди, воркер опять начинает ожидать новые задачи.
Остальные 2 воркера, которые были показаны выше, в это время, не делают никакой работы, пока в их очереди нет задач. Но, как только они получают в пул новые, то сразу же обрабатывают их, в зависимости от вашей программной реализации.
Больше очередей
Более того, вы можете создавать целую цепочку очередей. К примеру, изнутри самой очереди обработки картинок, вы можете добавить новую задачу в очередь на отправку email письма.
Это вы можете увидеть на примере предыдущей картинки, немного видоизменённой: 
Здесь показано, что, как только воркер завершит свою работу, будет создана новая задача по отправке письма, в другой очереди. В свою очередь, email-воркер уже отрабатывает, и оповещает пользователя о завершении работы над изображениями.
До сих пор непонятно?
Если вы всё ещё до конца не понимаете, что такое очередь, и как они работают, то, этот раздел для вас. Уйдём от примеров из программирования, и рассмотрим бытовой пример. Представьте, что вы позвонили в кафе, чтобы заказать пиццу. От готовой пиццы и у вас на столе, вас отделяет несколько шагов:
Представьте, насколько долгим будет этот процесс, если только один работник будет выполнять все задачи. Конечно, если у него только один заказ в день, то звучит не так плохо. Но что случится, если он получит 5 заказов течении одной минуты? Очевидно, что сил одного тут будет слишком мало, и этот работник будет перегружен.
В результате, некоторые из заказов могут потеряться, в некоторых могут несоответствовать ингредиенты тем, что заказывали. Или, когда доставка производится в 5 разных мест, они могут находиться слишком далеко друг от друга, что повлечёт за собой опоздание курьера, и еда клиентов станет холодной.
Но, с точки зрения очереди, эту ситуацию можно пересмотреть. Давайте представим, что теперь работник не один, а несколько, и у каждого есть своя задача.
И в итоге, когда каждый имеет чёткие обязанности, и занят только одним делом, то меньше вероятность ошибки, и процесс создания продукта является более оптимизированным.
Резюме
В этой статье я описал принцип работы очереди, что такое php очередь, и что из себя представляет php сервер очередей. Здесь была разобрана только теория, без привязки к конкретному языку программирования. Для полного понимания, подготовлена практическая статья с реализацией php скрипта работы с очередью.
Subscribe to Блог php программиста: статьи по PHP, JavaScript, MySql
Get the latest posts delivered right to your inbox
Очередь (структура данных).
Очередь – структура данных типа «список», позволяющая добавлять элементы лишь в конец списка, и извлекать их из его начала. Она функционирует по принципу FIFO (First In, First Out — «первым пришёл — первым вышел»), для которого характерно, что все элементы a1, a2, …, an-1, an, добавленные раньше элемента an+1, должны быть удалены прежде, чем будет удален элемент an+1. Также очередь может быть определена как частный случай односвязного списка, который обслуживает элементы в порядке их поступления. Как и в «живой» очереди, здесь первым будет обслужен тот, кто пришел первым.
Стандартный набор операций (часто у разных авторов он не идентичен), выполняемых над очередями, совпадает с тем, что используется при обработке стеков:
Только, если в отношении стека в момент добавления или удаления элемента допустимо задействование лишь его вершины, то касательно очереди эти две операции должны быть применены так, как это регламентировано в определении этой структуры данных, т. е. добавление – в конец, удаление – из начала. Далее, при реализации интерфейса очереди, список стандартных операций будет расширен.
Выделяют два способа программной реализации очереди. Первый из них основан на базе массива, а второй на базе указателей (связного списка). Первый способ – статический, т. к. очередь представляется в виде простого статического массива, второй – динамический.
Реализация очереди с помощью массива.
Данный способ позволяет организовать и впоследствии обрабатывать очередь, имеющую фиксированный размер. Определим список операций, который будет использоваться как при реализации статической очереди, так и динамической:
В программе каждая из этих операций предстанет в виде отдельной подпрограммы. Помимо того, потребуется описать массив данных data[N], по сути, являющийся хранилищем данных вместимостью N, а также указатель на конец очереди (на ту позицию, в которую будет добавлен очередной элемент) – last. Изначально last равен 0.
В функции main, сразу после запуска программы, создается переменная Q структурного типа Queue, адрес которой будет посылаться в функцию (в зависимости от выбора операции) как фактический параметр. Функция Creation создает очередь, обнуляя указатель на последний элемент. Далее выполняется оператор цикла do..while (цикл с постусловием), выход из которого осуществляется только в том случае, если пользователь ввел 0 в качестве номера команды. В остальных случаях вызывается подпрограмма соответствующая команде, либо выводиться сообщение о том, что команда не определена.
Из всех подпрограмм особого внимания заслуживает функция Delete. Удаление элемента из очереди осуществляется путем сдвига всех элементов в начало, т. е. значения элементов переписываются: в data[0] записывается значение элемента data[1], в data[1] – data[2] и т. д.; указатель конца смещается на позицию назад. Получается, что эта операция требует линейного времени O(n), где n – размер очереди, в то время как остальные операции выполняются за константное время. Данная проблема поддается решению.
Вместо «мигрирующей» очереди, наиболее приемлемо реализовать очередь на базе циклического массива. Здесь напрашивается аналогия с «живой» очередью: если в первом случае покупатели подходили к продавцу, то теперь продавец будет подходить к покупателям (конечно, такая тактика оказалась бы бесполезной, например, в супермаркетах и т. п.). В приведенной реализации очередь считалась заполненной тогда, когда указатель last находился над последней ячейкой, т. е. на расстоянии N элементов от начала.
В циклическом варианте расширяется интерпретация определения позиции last относительно начала очереди. Пусть на начало указывает переменная first. Представим массив в виде круга – замкнутой структуры. После последнего элемента идет первый, и поэтому можно говорить, что очередь заполнила весь массив, тогда когда ячейки с указателями last и first находятся радом, а именно за last следует first. Теперь, удаление элемента из очереди осуществляется простым смещением указателя first на одну позицию вправо (по часовой); чтобы добавить элемент нужно записать его значение в ячейку last массива data и сместить указатель last на одну позицию правее. Чтобы не выйти за границы массива воспользуемся следующей формулой:
(A mod N) + 1
Здесь A – один из указателей, N – размер массива, а mod – операция взятия остатка от деления.
В циклической реализации, как и прежде, очередь не содержит элементов тогда, когда first и last указывают на одну и ту же ячейку. Но в таком случае возникает одно небольшое отличие этой реализации от предшествующей. Рассмотрим случай заполнения очереди, основанной на базе массива, размер которого 5:
| Элементы | first | last |
| — | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 2 |
| 1, 2 | 1 | 3 |
| 1, 2, 3 | 1 | 4 |
| 1, 2, 3, 4 | 1 | 5 |
В левом столбце записаны произвольные значения элементов, а в двух других значения указателей при соответствующем состоянии очереди. Необходимо заметить, что в массив размером 5 удалось поместить только 4 элемента. Все дело в том, что еще один элемент требует смещения указателя last на позицию 1. Тогда last=first. Но именно эта ситуация является необходимым и достаточным условием отсутствия в очереди элементов. Следовательно, мы не можем хранить в массиве больше N-1 элементов.
В следующей программе реализован интерфейс очереди, основанной на базе циклического массива:
Алгоритмы и структуры данных для начинающих: стеки и очереди
Авторизуйтесь
Алгоритмы и структуры данных для начинающих: стеки и очереди
В предыдущих частях мы рассматривали базовые структуры данных, которые, по сути, являлись надстройками над массивом. В этой статье мы добавим к коллекциям простые операции и посмотрим, как это повлияет на их возможности.
Стек — это коллекция, элементы которой получают по принципу «последний вошел, первый вышел» (Last-In-First-Out или LIFO). Это значит, что мы будем иметь доступ только к последнему добавленному элементу.
27–28 ноября, Москва, Беcплатно
Наиболее часто встречающаяся аналогия для объяснения стека — стопка тарелок. Вне зависимости от того, сколько тарелок в стопке, мы всегда можем снять верхнюю. Чистые тарелки точно так же кладутся на верх стопки, и мы всегда будем первой брать ту тарелку, которая была положена последней.
Если мы положим, например, красную тарелку, затем синюю, а затем зеленую, то сначала надо будет снять зеленую, потом синюю, и, наконец, красную. Главное, что надо запомнить — тарелки всегда ставятся и на верх стопки. Когда кто-то берет тарелку, он также снимает ее сверху. Получается, что тарелки разбираются в порядке, обратном тому, в котором ставились.
Теперь, когда мы понимаем, как работает стек, введем несколько терминов. Операция добавления элемента на стек называется «push», удаления — «pop». Последний добавленный элемент называется верхушкой стека, или «top», и его можно посмотреть с помощью операции «peek». Давайте теперь посмотрим на заготовку класса, реализующего стек.
Класс Stack
Метод Push
Поскольку мы используем связный список для хранения элементов, можно просто добавить новый в конец списка.
Метод Pop
Push добавляет элементы в конец списка, поэтому забирать их будет также с конца. В случае, если список пуст, будет выбрасываться исключение.
Метод Peek
Метод Count
Зачем нам знать, сколько элементов находится в стеке, если мы все равно не имеем к ним доступа? С помощью этого поля мы можем проверить, есть ли элементы на стеке или он пуст. Это очень полезно, учитывая, что метод Pop кидает исключение.
Пример: калькулятор в обратной польской записи.
Классический пример использования стека — калькулятор в обратной польской, или постфиксной, записи. В ней оператор записывается после своих операндов. То есть, мы пишем:
Другими словами, вместо «4 + 2» мы запишем «4 2 +». Если вам интересно происхождение обратной польской записи и ее названия, вы можете узнать об этом на Википедии или в поисковике.
То, как вычисляется обратная польская запись и почему стек так полезен при ее использовании, хорошо видно из следующего алгоритма:
То есть, для выражения «4 2 +» действия будут следующие:
В конце на стеке окажется одно значение — 6.
Очередь
Очереди очень похожи на стеки. Они также не дают доступа к произвольному элементу, но, в отличие от стека, элементы кладутся (enqueue) и забираются (dequeue) с разных концов. Такой метод называется «первый вошел, первый вышел» (First-In-First-Out или FIFO). То есть забирать элементы из очереди мы будем в том же порядке, что и клали. Как реальная очередь или конвейер.
Очереди часто используются в программах для реализации буфера, в который можно положить элемент для последующей обработки, сохраняя порядок поступления. Например, если база данных поддерживает только одно соединение, можно использовать очередь потоков, которые будут, как ни странно, ждать своей очереди на доступ к БД.
Класс Queue
Метод Enqueue
Новые элементы очереди можно добавлять как в начало списка, так и в конец. Важно только, чтобы элементы доставались с противоположного края. В данной реализации мы будем добавлять новые элементы в начало внутреннего списка.
Метод Dequeue
Поскольку мы вставляем элементы в начало списка, убирать мы их будем с конца. Если список пуст, кидается исключение.
Метод Peek
Метод Count
Двусторонняя очередь
Двусторонняя очередь (Double-ended queue), или дек (Deque), расширяет поведение очереди. В дек можно добавлять или удалять элементы как с начала, так и с конца очереди. Такое поведение полезно во многих задачах, например, планирование выполнения потоков или реализация других структур данных. Позже мы рассмотрим вариант реализации стека с помощью двусторонней очереди.
Класс Deque
Метод EnqueueFirst
Метод EnqueueLast
Метод DequeueFirst
Метод DequeueLast
Метод PeekFirst
Метод PeekLast
Метод Count
Пример: реализация стека
Двусторонняя очередь часто используется для реализации других структур данных. Давайте посмотрим на пример реализации стека с ее помощью.
У вас, возможно, возник вопрос, зачем реализовывать стек на основе очереди вместо связного списка. Причины две: производительность и повторное использование кода. У связного списка есть накладные расходы на создание узлов и нет гарантии локальности данных: элементы могут быть расположены в любом месте памяти, что вызывает большое количество промахов и падение производительности на уровне процессоров. Более производительная реализация двусторонней очереди требует массива для хранения элементов.
Тем не менее, реализация стека или очереди с помощью массива — непростая задача, но такая реализация двусторонней очереди и использование ее в качестве основы для других структур данных даст нам серьезный плюс к производительности и позволит повторно использовать код. Это снижает стоимость поддержки.
Позже мы посмотрим на вариант очереди с использованием массива, но сначала давайте взглянем на класс стека с использованием двусторонней очереди:
Хранение элементов в массиве
Как уже было упомянуто, у реализации очереди с использованием массива есть свои преимущества. Она выглядит простой, но на самом деле есть ряд нюансов, которые надо учесть.
Давайте посмотрим на проблемы, которые могут возникнуть, и на их решение. Кроме того, нам понадобится информация об увеличении внутреннего массива из прошлой статьи о динамических массивах.
При создании очереди у нее внутри создается массив нулевой длины. Красные буквы «h» и «t» означают указатели _head и _tail соответственно.
Добавляем элемент в начало
Добавляем элемент в конец
Добавляем еще один элемент в начало
Обратите внимание: индекс «головы» очереди перескочил в начало списка. Теперь первый элемент, который будет возвращен при вызове метода DequeueFirst — 0 (индекс 3).
И еще один в конец
Массив заполнен, поэтому при добавлении элемента произойдет следующее:
Добавляем значение в конец расширенного массива
Теперь посмотрим, что происходит при удалении элемента:
Удаляем элемент из начала
Удаляем элемент с конца
Ключевой момент: вне зависимости от вместимости или заполненности внутреннего массива, логически, содержимое очереди — элементы от «головы» до «хвоста» с учетом «закольцованности». Такое поведение также называется «кольцевым буфером».
Теперь давайте посмотрим на реализацию.
Класс Deque (с использованием массива)
Интерфейс очереди на основе массива такой же, как и в случае реализации через связный список. Мы не будем его повторять. Однако, поскольку список был заменен на массив, у нас добавились новые поля — сам массив, его размер и указатели на «хвост» и «голову» очереди.
Алгоритм роста
Когда свободное место во внутреннем массиве заканчивается, его необходимо увеличить, скопировать элементы и обновить указатели на «хвост» и «голову». Эта операция производится при необходимости во время добавления элемента. Параметр startingIndex используется, чтобы показать, сколько полей в начале необходимо оставить пустыми (в случае добавления в начало).
Обратите внимание на то, как извлекаются данные, когда приходится переходить в начало массива при проходе от «головы» к «хвосту».
Метод EnqueueFirst
Метод EnqueueLast
Метод DequeueFirst
Метод DequeueLast
Метод PeekFirst
Метод PeekLast
Метод Count
Продолжение следует
Вот мы и закончили четвертую часть нашего цикла статей. В ней мы рассмотрели стеки и очереди. В следующий раз мы перейдем к бинарным деревьям поиска.