Warteschlange (Datenstruktur)
In der Informatik bezeichnet eine Warteschlange (englisch queue [kju]) eine häufig eingesetzte Datenstruktur. Sie dient als Puffer zur Zwischenspeicherung von Objekten in einer Reihenfolge, bevor diese weiterverarbeitet werden.
Funktionsprinzip
Eine Warteschlange kann, im Gegensatz zum später beschriebenen Ringpuffer, eine beliebige Menge von Objekten aufnehmen und gibt diese in der Reihenfolge ihres Einfügens wieder zurück. Dazu stellen Warteschlangen die Operationen
- enqueue zum Hinzufügen eines Objekts und
- dequeue zum Zurückholen und Entfernen eines Objektes bereit.
Während die Warteschlange theoretisch unendlich viele Objekte aufnehmen kann, kann beim Ringpuffer bei Erschöpfung ein Überlauf eintreten, für den eine Bearbeitung vereinbart werden muss (siehe Abschnitt Implementierung als Ringpuffer).
Dabei wird nach dem Prinzip First In – First Out (kurz FIFO, deutsch zuerst hinein – zuerst heraus) gearbeitet, das heißt, es wird von dequeue immer das Objekt aus der Warteschlange zurückgegeben, welches von den in der Warteschlange noch vorhandenen Objekten als erstes mit enqueue hineingelegt wurde.
Illustration
Man kann sich eine Warteschlange wie eine Warteschlange von Kunden an einer Kasse vorstellen. Der Letzte, der sich in die Schlange stellt, wird auch als letzter bedient. Umgekehrt wird derjenige, der sich als erstes angestellt hat, als erster bedient.
Mit enter wird ein neuer Wert (3) der Schlange hinzugefügt, und mit leave das am längsten gespeicherte Element (37) herausgenommen. Der einzige lesende Zugriff erfolgt mit front und liefert das erste gespeicherte Element der Queue (hier im Beispiel 37, natürlich unter der Annahme, dass die Operation leave noch nicht ausgeführt wurde!).
Anwendung
Die zur Interprozesskommunikation verwendete Pipe ist eine der wichtigsten Anwendungen für Warteschlangen.
Durch Warteschlangen werden auch langsame externe Geräte, z. B. Drucker, von der Programmabarbeitung entkoppelt. Nach dem Einstellen eines Druckauftrages in die Warteschlange wird dem Programm der Auftrag als „gedruckt“ signalisiert, tatsächlich wird der Auftrag jedoch erst später bei Verfügbarkeit des Gerätes ausgeführt.
Warteschlangen werden außerdem häufig zur Datenübergabe zwischen asynchronen Prozessen in verteilten Systemen verwendet, wenn also Daten vor ihrer Weiterverarbeitung gepuffert werden müssen. Der Zugriff erfolgt dabei durch im Betriebssystem verankerte APIs. Die Größe der Warteschlange wird durch das Betriebssystem limitiert.
Graphische Benutzeroberflächen puffern Ereignisse der Maus und Tastatur in einer sogenannten Message Queue nach dem FIFO-Prinzip, d. h. in der Reihenfolge ihres Auftretens. Anschließend leiten sie diese dann, abhängig von Position und Eingabefokus, an die korrekten Prozesse weiter.
Eine Warteschlange kann auch für Parallele Programmierung verwendet werden. Dies kann man sich wie in einer Behörde vorstellen, bei dem es mehrere Schalter für eine Warteschlange gibt. So können Aufgaben eingestellt werden, die später parallel abgearbeitet werden.
Implementierung als Ringpuffer
Warteschlangen sind häufig als Ringpuffer mit je einem Zeiger auf Anfang (In-Pointer) und Ende (Out-Pointer) implementiert. Die Besonderheit des Ringpuffers ist, dass er eine feste Größe besitzt. Dabei zeigt der In-Pointer auf das erste freie Element im Array, das den Ringpuffer repräsentiert, und der Out-Pointer auf das erste belegte Element in dem Array. Im Unterschied zum Array werden die ältesten Inhalte überschrieben wenn der Puffer voll ist, um weitere Elemente in den Ringpuffer ablegen zu können. Eine Implementierung des Ringpuffers sollte für den Fall, dass der Ringpuffer voll ist, entweder einen Pufferüberlauf signalisieren oder zusätzlichen Speicherplatz bereitstellen. In anderen Fällen kann das Überschreiben alter Elemente der Warteschlange und damit der Datenverlust gewollt sein.
Typischerweise sind Tastatur-Eingaben bei PCs über Ringpuffer realisiert. Eingaben werden zunächst asynchron im Interrupt-Verfahren entgegengenommen und als Rohdaten im Tastaturpuffer abgelegt, danach im Programmablauf bei Bedarf per API-Funktion abgerufen. Wenn der Zeiger auf Ende den Zeiger auf Anfang erreicht und damit beide Zeiger identisch werden, ist der Puffer leer. Im umgekehrten Fall ist der Puffer voll, die betreffende Eingabe wird im Interrupt verworfen und akustisch signalisiert.
Auch moderne Flugschreiber im Flugzeug beruhen in der Regel auf einem Ringpuffer, daher sind nach einem Absturz nur die in den letzten Tagen aufgezeichneten Messwerte beziehungsweise die in den letzten Flugminuten aufgezeichneten Sprachaufzeichnungen vorhanden.
Zusammenhang mit Stapelspeichern (Stacks)
Warteschlangen kann man sich als Bücherstapel vorstellen, die von unten befüllt werden. Dementsprechend gibt es Implementierungen, die gar keinen prinzipiellen Unterschied zwischen Stacks und Queues machen. In REXX steht das Leseende einer Queue fest. Mit PUSH abgelegte Einträge werden nach dem LIFO-Prinzip gelesen (Last In – First Out), mit QUEUE abgelegte nach dem FIFO-Prinzip. Zur Interprozesskommunikation sind insbesondere Queues interessant.
Programmierung
C++
Das folgende Beispiel in der Programmiersprache C++ mit Spielkarten zeigt die Verwendung einer Warteschlange der Klasse queue der C++-Standardbibliothek (siehe auch Template (C++) - Klassen-Templates). Bei der Ausführung des Programms wird die Methode main verwendet.[1]
#include <queue> // Bindet den Datentyp queue in das Programm ein
#include <iostream>
int main()
{
using namespace std;
queue<string> myQueue; // Deklariert eine Queue mit dem Elementtyp string
// Fügt der Queue 3 Elemente vom Typ string hinzu.
myQueue.push("Herz Dame");
myQueue.push("Karo König");
myQueue.push("Kreuz Ass");
queue<string>::size_type n;
n = myQueue.size(); // Weist die Anzahl der Elemente der Variablen n zu
cout << "Die Länge der Queue ist "
<< n << "." << endl; // Ausgabe auf der Konsole
string card = myQueue.front(); // Weist das Element am Anfang ("Herz Dame") der Variablen card zu
cout << "Die Karte am Anfang der Queue ist: "
<< card << "." << endl; // Ausgabe auf der Konsole
myQueue.pop(); // Entfernt das Element am Anfang
n = myQueue.size(); // Weist die Anzahl der Elemente der Variablen n zu
cout << "Nach dem Löschen der Karte ist die Länge "
<< n << "." << endl; // Ausgabe auf der Konsole
card = myQueue.front(); // Weist das Element am Anfang ("Karo König") der Variablen card zu
cout << "Nach dem Löschen ist die Karte am Anfang der Queue: "
<< card << "." << endl; // Ausgabe auf der Konsole
}
C#
Das folgende Beispiel in der Programmiersprache C# zeigt die Implementierung einer Warteschlange in der Klasse Queue und die Verwendung dieser Klasse in einer Hauptklasse. Die Klasse Queue enthält eine doppelt verkettete Liste, die in diesem Beispiel ein generischer Typ mit einem Typparameter ist.
// Deklariert die Klasse Queue mit Typparameter T, die mit einer doppelt verketteten Liste implementiert ist.
public class Queue<T>
{
// Initialisiert die doppelt verkettete Liste der Queue
private readonly System.Collections.Generic.LinkedList<T> list = new System.Collections.Generic.LinkedList<T>();
// Gibt die Anzahl der Elemente zurück
public int Count()
{
return list.Count;
}
// Fügt ein Element am Ende ein
public void Enqueue(T element)
{
list.AddLast(element);
}
// Löscht das Element am Anfang und gibt es zurück
public T Dequeue()
{
T first = list.First.Value;
list.RemoveFirst();
return first;
}
// Gibt die Queue als Text zurück
public String ToString()
{
return list.ToString();
}
}
Die Hauptklasse Program mit der Methode Main ist entsprechend wie das Code-Beispiel in C++ (siehe oben) implementiert:
class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
Queue<string> myQueue = new Queue<string>();
myQueue.Enqueue("Herz Dame");
myQueue.Enqueue("Karo König");
myQueue.Enqueue("Kreuz Ass");
int n = myQueue.Count();
Console.WriteLine("Die Länge der Queue ist " + n);
string card = myQueue.Dequeue();
Console.WriteLine("Die Karte am Anfang der Queue ist: " + card);
n = myQueue.Count();
Console.WriteLine("Nach dem Löschen der Karte ist die Länge " + n);
card = myQueue.Dequeue();
Console.WriteLine("Nach dem Löschen ist die Karte am Anfang der Queue: " + card);
Console.ReadLine();
}
}
Für die Programmierung von Kartenspielen und Gesellschaftsspielen mit Stapeln, bei denen während dem Spiel Karten auf einen Stapel gelegt oder von einem Stapel gezogen wird, sind stattdessen Stacks geeignet (siehe Stapelspeicher - Beispiel mit Spielkarten).
Siehe auch
Weblinks
www.geeksforgeeks.org: Array implementation of queue (Simple)
Einzelnachweise
- Microsoft Docs: queue Class