Queue Là Gì? Cấu Trúc Dữ Liệu Hàng Đợi Và Nguyên Tắc Hoạt Động

Queue hay hàng đợi, là một trong những cấu trúc dữ liệu phổ biến và được cộng đồng lập trình viên thường xuyên sử dụng trong các bài toán quản trị dữ liệu. Từ việc quản lý hệ điều hành, sắp xếp tác vụ đến xử lý các yêu cầu của người dùng đều là những tính năng quan trọng của queue, là công cụ đắc lực giúp hệ thống trở nên chuyên nghiệp và có tổ chức hơn. Nếu vẫn còn băn khoăn và thắc mắc về khái niệm queue là gì, mời bạn cùng Học Viện Công Nghệ Thông Tin Á Âu khám phá chi tiết thông qua bài viết dưới đây.

Cấu trúc dữ liệu queue là thành phần không thể thiếu để tổ chức và

quản lý hệ thống thông tin một cách hiệu quả (Ảnh: Internet)

Queue là gì?

Queue (hàng đợi) là một cấu trúc dữ liệu đặc biệt trong ngôn ngữ lập trình C và C++, nơi mà các phần tử được thêm vào một đầu và được loại bỏ từ một đầu khác dựa trên nguyên tắc FIFO (First In – First Out). Điều này có nghĩa là phần tử nào được đưa vào trước sẽ được xử lý và loại bỏ trước, phần tử nào được đưa vào sau sẽ được loại bỏ sau, tương tự như việc xếp hàng mua vé trong cuộc sống hằng ngày, người nào tới trước sẽ được phục vụ trước còn những người tới sau phải đợi người đến trước được xử lý xong.

Queue là một trong những cấu trúc dữ liệu cơ bản, thường được sử dụng trong các thuật toán tuần tự hoặc giữ các đối tượng theo thứ tự yêu cầu.

Cấu trúc dữ liệu hàng đợi hoạt động giống như việc xếp hàng trong đời sống (Ảnh: Internet)

Các thao tác với cấu trúc dữ liệu hàng đợi

Enqueue: Đây là thao tác thêm một bản ghi mới vào cuối hàng đợi, tương tự như việc có thêm một người xếp hàng đợi mua vé. Khi một phần tử mới được thêm vào sẽ được tự động xếp vào cuối hàng đợi theo đúng thứ tự của nó.
Dequeue: Đây là thao tác lấy ra bản ghi đầu tiên từ hàng đợi để xử lý, cũng giống việc người xếp hàng đầu tiên được nhân viên gọi lên để bán vé. Đây là thao tác đặc trưng cho nguyên tắc FIFO, có thể hiểu nôm na là “vào trước ra trước”. Điều này cũng đồng nghĩa phần tử tiếp theo sẽ được đẩy lên thành phần tử ở đầu hàng đợi mới.
Peek: Là phương thức lấy ra phần tử đầu tiên để kiểm tra giá trị nhưng lại không xóa nó ra khỏi hàng đợi, rất hữu ích trong việc xem xét trước phần tử tiếp theo mà không làm thay đổi cấu trúc dữ liệu của hàng đợi.
IsEmpty: Đây là một phương thức kiểm tra xem hàng đợi có trống không để tiến hành thực hiện các thao tác tiếp theo.
IsFull: Ngược lại với IsEmpty, đây là phương thức để kiểm tra xem hàng đợi có đang đầy không, vì nếu đạt đến giới hạn tối đa, hàng đợi sẽ ngừng nhận thêm phần tử mới.
Front: Vị trí đầu hàng đợi, cũng là phần tử được lấy ra đầu tiên khi cần được xử lý.
Rear: Là vị trí của phần tử cuối cùng trong hàng đợi, nơi phần tử mới sẽ được thêm vào khi thực hiện thao tác enqueue.
Size: Trả về số lượng phần tử trong hàng đợi như ban đầu.
Swap: Hoán đổi giá trị của hai hàng đợi bất kỳ, miễn là chúng cùng một kiểu dữ liệu.

Phương thức hoạt động của queue (Ảnh: Internet)

Nguyên tắc hoạt động của Queue

Cấu trúc hàng đợi dựa trên nguyên tắc First In – First Out, tức phần tử nào được thêm vào hàng trước sẽ được lấy ra trước.

Đầu tiên, một phần tử mới được khởi tạo sau khi được cấp phát đầy đủ bộ nhớ, cài đặt các biến và con trỏ cần thiết. Sau đó, phần tử được đẩy vào vị trí cuối cùng của hàng đợi, còn nếu queue đang trống thì phần tử sẽ nằm ở cả đầu và cuối của queue. Phương thức này được gọi là enqueue, được thực hiện cụ thể theo các bước như sau:

Bước 1: Dùng phương thức isfull để kiểm tra xem hàng đợi có đang đầy không.
Bước 2: Nếu hàng đợi đã có số lượng phần tử đạt đến giới hạn thì tiến trình sẽ không được thực hiện và báo lỗi.
Bước 3: Nếu hàng đợi chưa đầy, đưa con trỏ rear đến vị trí còn trống tiếp theo.
Bước 4: Thêm phần tử tiếp theo vào vị trí mà con trỏ rear đang hướng đến trong hàng đợi.

Quá trình này đảm bảo rằng các phần tử được xử lý theo một cách có tổ chức và được vận hành liên tục theo thứ tự quy định, khi cần xử lý thì phần tử sẽ tuần tự được lấy ra thông qua phương thức dequeue.

Cuối cùng, khi không còn phần tử nào được thêm vào nữa thì hàng đợi sẽ được giải phóng ra khỏi bộ nhớ để tránh lãng phí tài nguyên, giúp tăng hiệu suất làm việc và khả năng lưu trữ dữ liệu của hệ thống.

Các dạng hàng đợi thường được sử dụng

Queue giới hạn đầu vào: Là loại hàng đợi mà các phần tử chỉ có thể được thêm vào từ một phía nhưng có thể được lấy ra từ hai đầu của hàng đợi.
Queue giới hạn đầu ra: Là loại hàng đợi mà các phần tử được thêm vào hai phía nhưng chỉ được lấy ra từ một đầu của hàng đợi.
Queue hai đầu (Double-ended queue): Kiểu hàng đợi này cho phép thêm hoặc xóa dữ liệu ở cả hai đầu của hàng đợi, giúp việc quản lý dữ liệu trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn.
Queue vòng: Là dạng queue mà vị trí cuối cùng có thể liên kết với vị trí đầu tiên. Khi một phần tử bị xóa đi thì vị trí đó sẽ được thay thế bằng một phần tử mới.

Ứng dụng phổ biến của cấu trúc dữ liệu hàng đợi

Quản lý tiến trình thực hiện các tác vụ

Queue được sử dụng phổ biến trong việc xử lý các tác vụ gửi đến hệ thống theo tiến trình thời gian. Trong hệ thống máy tính và mạng, các tác vụ được xử lý theo thứ tự đến hàng đợi, tác vụ này được giải quyết xong thì tuần tự các tác vụ tiếp theo sẽ được gọi lên để xử lý.

Quản lý hàng chờ

Một ứng dụng thường thấy của queue trong thực tế là được sử dụng để quản lý việc chờ đợi của khách hàng trong các dịch vụ của đời sống như bệnh viện, ngân hàng…

Hệ thống in ấn

Bằng việc ứng dụng hàng đợi trong các hệ thống in ấn, khi máy in hoàn thành việc in tài liệu hiện tại sẽ tự động lấy tài liệu tiếp theo của hàng đợi để in tiếp.

Trình duyệt Web

Các trình duyệt web cũng sử dụng queue để quản lý các yêu cầu từ người dùng. Mỗi một yêu cầu được gửi đến sẽ được thêm vào queue và được nhà cung cấp dịch vụ giải quyết lần lượt.

Hàng đợi là một cấu trúc dữ liệu quan trọng, được ứng dụng phổ biến trong cuộc sống (Ảnh: Internet)

Queue hay cấu trúc dữ liệu hàng đợi là khái niệm mà bất kỳ developer cũng phải tiếp xúc và sử dụng nhiều trong công việc lập trình. Hy vọng những thông tin trong bài viết sẽ mang đến cho bạn góc nhìn chuyên sâu và đa chiều về chủ đề queue là gì. Đừng quên theo dõi những bài viết tiếp theo của Học Viện Công Nghệ Thông Tin Á Âu để cập nhật thêm nhiều thông tin và kiến thức mới nhất trong ngành CNTT bạn nhé!