자료구조, 큐(Queue)

자료구조, 큐(Queue)

큐(Queue)

• 데이터들을 줄세운다고 생각하자
• 먼저 들어온 데이터가 먼저 나가는 구조
• 마찬가지로 나중에 들어온 데이터는 나중에 나가는 구조
• FIFO(First In First Out)형태의 자료구조
• 직전에 들어온 데이터는 rear라는 포인터가 지칭
• 큐에서 나가기 직전의 데이터는 front라는 포인터가 지칭

• Enqueue
  • rear에서 이루어지는 삽입 연산
• Dequeue
  • front에서 이루어지는 삭제 연산

큐(Queue)에 필요한 Operators

• Constructor
  • 큐 객체를 생성하는데 필요한 생성자
• Destructor
  • 큐 객체를 삭제하는데 필요한 소멸자
• Transformer
  • 큐의 상태 (들어있느 아이템의 값 등)을 변환하는 변환자
• Observer
  • 큐의 아이템이나 길이 등의 정보에 접근하는 관측자

Problem. Simple Array Based Queue

• 단순히 배열에 큐를 생성하고 rear와 front를 지정하면 문제점 존재
• 위 그림과 같이 실제 할당된 배열의 전체 크기를 활용하지 못한다는 문제점 존재
• 극단적으로, 크기가 4인 배열에서 Enqueue를 4번 수행하고 Dequeue도 4번 수행하면 메모리는 할당 받았지만, 이용할 수 있는 공간이 없음

Solution 1. Circular Queue

• 위 그림에서 3번 주소까지 사용 가능한 모든 공간을 사용한 경우, 다시 0번으로 rear를 설정
• 이를 형상화하면 원형의 모양이 되어서 Circular Queue라 지칭
• 그러나, 해당 기능만 적용 시 다른 문제점 존재
  1. 기본적으로 rear + 1 == front이면 queue는 가득 찬 상태
     • rear는 방금 들어온 아이템
     • front는 나가기 직전 (아직은 안 나간 상태)
  2. 한편, Dequeue를 지속적으로 수행하여 rear의 아이템까지 뱉어낸다고 하자
  3. Queue의 아이템이 모두 빌때가지 수행하면 마지막 Dequeue 수행시, front++ 연산 수행도 같이 수행
  4. 두, 세번째 연산으로 인해 queue가 빈 상태 또한 rear + 1 == front
• 큐가 가득 찬 상태와 비어있는 상태를 구분할 수 없음

Solution 2. Circular Queue (Final)

• rear까지 Dequeue가 가능하게 만들지 말자!

• 동시에, reserved 공간을 생성하여 front 연산 수행 시 front의 칸을 한칸 뒤로 옮김과 동시에 Dequeue될 값을 reserved로 설정

• 위와 같이 구성하였을 때
• 큐가 가득 차있으면
  • rear + 1 = front
• 큐가 비어있으면
  • (rear + 1) % maxQue == front

Queue Operators(Array Based)

• Transformers
  • Push
  • Pop
• Observers
  • IsEmpty
  • IsFull
  • Top

Source Code

• Dependency
  • OS: Windows11, 23H2
  • IDE: JetBrain CLion
  • Build Toolchain: CMake 3.27
    • Compiler: MSYS2(GCC for Windows)
    • C++ Standard: C++23

In most cases, MSVC in Visual Studio is also available
GCC in UNIX and LINUX are always available
However, you must use a C++17 or higher standard

Preprocessing

#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <string>
using namespace std;

#define FULL_QUEUE "queue is full"
#define EMPTY_QUEUE "queue is empty"
typedef int ItemType;
class QueueType;

Class Definition

class QueueType {
public:
    QueueType(int max);
    ~QueueType();
    [[nodiscard]] bool IsFull() const; //큐가 가득 차있는지 확인
    [[nodiscard]] bool IsEmpty() const; //큐가 비어있는지 확인
    void Enqueue(ItemType newItem); //큐 rear에 아이템 삽입
    ItemType Dequeue(); //큐 front의 아이템 삭제 및 반환

private:
    int front;
    int rear;
    int maxQue;
    ItemType* items;
};

Constructor

QueueType::QueueType(int max) {
    maxQue = max + 1;
    front = maxQue - 1;
    rear = maxQue - 1;
    items = new ItemType[maxQue];
}

Destructor

QueueType::~QueueType() {
    delete [] items;
}

Observer

bool QueueType::IsEmpty() const {
    return rear == front;
}

bool QueueType::IsFull() const {
    return (rear + 1) % maxQue == front;
}

Transformer

void QueueType::Enqueue(ItemType newItem) {
    if (IsFull()) {
        throw runtime_error(FULL_QUEUE);
    }
    rear = (rear + 1) % maxQue;
    items[rear] = newItem;
}

ItemType QueueType::Dequeue() {
    if (IsEmpty()) {
        throw runtime_error(EMPTY_QUEUE);
    }
    front = (front + 1) % maxQue;
    return items[front];
}

Main Function

int main() {
    QueueType myQueue(5);

    try {
        for (int i = 1; i <= 6; i++) {
            cout << "Enqueuing " << i << " onto the queue." << endl;
            myQueue.Enqueue(i);
        }
    } catch (const runtime_error& e) {
        cout << "Exception caught: " << e.what() << endl;
    }

    cout << "Is the queue full? " << (myQueue.IsFull() ? "Yes" : "No") << endl;

    cout << "Dequeuing items: ";
    try {
        while (!myQueue.IsEmpty()) {
            cout << myQueue.Dequeue() << " ";
        }
        cout << endl;
    } catch (const runtime_error& e) {
        cout << "Exception caught: " << e.what() << endl;
    }

    cout << "Is the queue empty? " << (myQueue.IsEmpty() ? "Yes" : "No") << endl;

    return EXIT_SUCCESS;
}

참고문헌

• Nell Dale. (2016). “C++ Plus Data Structues Sixth Edition”. Jones&Bartlett Learning.
• GeeksforGeeks. (2024). “Queue Data Structure”. https://www.geeksforgeeks.org/stack-data-structure/.
• 개발자 Miro. (2024). “[자료구조] 스택(Stack)과 큐(Queue)에 대해서 알아보자!”. https://jud00.tistory.com/entry/자료구조-스택Stack과-큐Queue에-대해서-알아보자.
• 맛있는 프로그래머의 일상. (2024). “03 원형 큐(Circular Queue) 자료구조”. https://lktprogrammer.tistory.com/59.
• OpenAI. (2024). ChatGPT(Jan 10, 2024). GPT-4. https://chat.openai.com.
• meongju0o0. (2024). “stack.cpp”. https://github.com/meongju0o0/meongju0o0-data-structure.