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5.2   큐

큐(queue)는 선입선출 규칙을 따르는 선형 자료 구조다. 이름 그대로 줄 서는 현상을 재현한다. 새로 온 사람은 계속 줄의 뒤에 서고, 맨 앞에 있는 사람부터 하나씩 떠난다.

아래 그림(5-4)과 같이 큐의 앞쪽을 ‘큐의 맨 앞’, 뒤쪽을 ‘큐의 맨 뒤’라고 한다. 맨 뒤에 원소를 추가하는 연산을 ‘큐에 삽입하기’, 맨 앞 원소를 삭제하는 연산을 ‘큐에서 꺼내기’라고 한다.

큐의 선입선출 규칙

그림 5-4   큐의 선입선출 규칙

5.2.1   큐의 기본 연산

큐의 기본 연산은 아래 표(5-2)와 같다. 메서드 이름은 프로그래밍 언어에 따라 다를 수 있으며, 여기서는 스택과 같은 이름을 사용한다.

표 5-2   큐의 연산 효율

메서드 설명 시간 복잡도
push() 큐에 원소 삽입, 즉 맨 뒤에 추가 \(O(1)\)
pop() 큐의 맨 앞 원소를 꺼냄 \(O(1)\)
peek() 큐의 맨 앞 원소에 접근 \(O(1)\)

프로그래밍 언어가 제공하는 큐 클래스를 바로 사용할 수 있다.

queue.py
from collections import deque

# 큐 초기화
# Python에서는 보통 덱 클래스 deque를 큐로 사용한다
# queue.Queue()는 전용 큐 클래스이지만 사용이 불편하므로 권하지 않는다
que: deque[int] = deque()

# 큐에 원소 삽입
que.append(1)
que.append(3)
que.append(2)
que.append(5)
que.append(4)

# 큐의 맨 앞 원소에 접근
front: int = que[0]

# 큐에서 원소 꺼내기
pop: int = que.popleft()

# 큐 길이 구하기
size: int = len(que)

# 큐가 비어 있는지 확인
is_empty: bool = len(que) == 0
queue.cpp
/* 큐 초기화 */
queue<int> queue;

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.push(1);
queue.push(3);
queue.push(2);
queue.push(5);
queue.push(4);

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
int front = queue.front();

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
queue.pop();

/* 큐 길이 구하기 */
int size = queue.size();

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
bool empty = queue.empty();
queue.java
/* 큐 초기화 */
Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.offer(1);
queue.offer(3);
queue.offer(2);
queue.offer(5);
queue.offer(4);

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
int peek = queue.peek();

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
int pop = queue.poll();

/* 큐 길이 구하기 */
int size = queue.size();

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
boolean isEmpty = queue.isEmpty();
queue.cs
/* 큐 초기화 */
Queue<int> queue = new();

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.Enqueue(1);
queue.Enqueue(3);
queue.Enqueue(2);
queue.Enqueue(5);
queue.Enqueue(4);

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
int peek = queue.Peek();

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
int pop = queue.Dequeue();

/* 큐 길이 구하기 */
int size = queue.Count;

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
bool isEmpty = queue.Count == 0;
queue_test.go
/* 큐 초기화 */
// Go에서는 list를 큐로 사용한다
queue := list.New()

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.PushBack(1)
queue.PushBack(3)
queue.PushBack(2)
queue.PushBack(5)
queue.PushBack(4)

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
peek := queue.Front()

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
pop := queue.Front()
queue.Remove(pop)

/* 큐 길이 구하기 */
size := queue.Len()

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
isEmpty := queue.Len() == 0
queue.swift
/* 큐 초기화 */
// Swift에는 내장 큐 클래스가 없으므로 Array를 큐로 사용할 수 있다
var queue: [Int] = []

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.append(1)
queue.append(3)
queue.append(2)
queue.append(5)
queue.append(4)

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
let peek = queue.first!

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
// 배열이므로 removeFirst의 복잡도는 O(n)이다
let pop = queue.removeFirst()

/* 큐 길이 구하기 */
let size = queue.count

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
let isEmpty = queue.isEmpty
queue.js
/* 큐 초기화 */
// JavaScript에는 내장 큐가 없으므로 Array를 큐로 사용할 수 있다
const queue = [];

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.push(1);
queue.push(3);
queue.push(2);
queue.push(5);
queue.push(4);

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
const peek = queue[0];

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
// 기반이 배열이므로 shift() 메서드의 시간 복잡도는 O(n)이다
const pop = queue.shift();

/* 큐 길이 구하기 */
const size = queue.length;

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
const empty = queue.length === 0;
queue.ts
/* 큐 초기화 */
// TypeScript에는 내장 큐가 없으므로 Array를 큐로 사용할 수 있다
const queue: number[] = [];

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.push(1);
queue.push(3);
queue.push(2);
queue.push(5);
queue.push(4);

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
const peek = queue[0];

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
// 기반이 배열이므로 shift() 메서드의 시간 복잡도는 O(n)이다
const pop = queue.shift();

/* 큐 길이 구하기 */
const size = queue.length;

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
const empty = queue.length === 0;
queue.dart
/* 큐 초기화 */
// Dart의 Queue 클래스는 덱이며 일반 큐로도 사용할 수 있다
Queue<int> queue = Queue();

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.add(1);
queue.add(3);
queue.add(2);
queue.add(5);
queue.add(4);

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
int peek = queue.first;

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
int pop = queue.removeFirst();

/* 큐 길이 구하기 */
int size = queue.length;

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
bool isEmpty = queue.isEmpty;
queue.rs
/* 덱 초기화 */
// Rust에서는 덱을 일반 큐로 사용한다
let mut deque: VecDeque<u32> = VecDeque::new();

/* 큐에 원소 삽입 */
deque.push_back(1);
deque.push_back(3);
deque.push_back(2);
deque.push_back(5);
deque.push_back(4);

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
if let Some(front) = deque.front() {
}

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
if let Some(pop) = deque.pop_front() {
}

/* 큐 길이 구하기 */
let size = deque.len();

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
let is_empty = deque.is_empty();
queue.c
// C는 내장 큐를 제공하지 않는다
queue.kt
/* 큐 초기화 */
val queue = LinkedList<Int>()

/* 큐에 원소 삽입 */
queue.offer(1)
queue.offer(3)
queue.offer(2)
queue.offer(5)
queue.offer(4)

/* 큐의 맨 앞 원소에 접근 */
val peek = queue.peek()

/* 큐에서 원소 꺼내기 */
val pop = queue.poll()

/* 큐 길이 구하기 */
val size = queue.size

/* 큐가 비어 있는지 확인 */
val isEmpty = queue.isEmpty()
queue.rb
# 큐 초기화
# Ruby의 내장 큐(Thread::Queue)에는 peek와 순회 메서드가 없으므로 Array를 큐로 사용할 수 있다
queue = []

# 큐에 원소 삽입
queue.push(1)
queue.push(3)
queue.push(2)
queue.push(5)
queue.push(4)

# 큐 원소에 접근
peek = queue.first

# 큐에서 원소 꺼내기
# 배열이므로 Array#shift 메서드의 시간 복잡도는 O(n)임에 주의
pop = queue.shift

# 큐 길이 구하기
size = queue.length

# 큐가 비어 있는지 확인
is_empty = queue.empty?
코드 시각화

5.2.2   큐 구현

큐를 구현하려면 한쪽 끝에서 원소를 추가하고 반대쪽 끝에서 삭제할 수 있는 자료 구조가 필요하다. 연결 리스트와 배열 모두 이 조건을 만족한다.

1.   연결 리스트 기반 구현

아래 그림(5-5)과 같이 연결 리스트의 ‘머리 노드’와 ‘꼬리 노드’를 각각 ‘큐의 맨 앞’과 ‘큐의 맨 뒤’로 볼 수 있다. 맨 뒤에서는 노드 추가만, 맨 앞에서는 노드 삭제만 허용한다.

연결 리스트 기반 큐의 삽입과 꺼내기

연결 리스트 기반 큐에 원소 삽입

연결 리스트 기반 큐에서 원소 꺼내기

그림 5-5   연결 리스트 기반 큐의 삽입과 꺼내기

연결 리스트로 큐를 구현한 코드는 다음과 같다.

linkedlist_queue.py
class LinkedListQueue:
    """연결 리스트로 구현한 큐"""

    def __init__(self):
        """생성자"""
        self._front: ListNode | None = None  # 머리 노드 front
        self._rear: ListNode | None = None  # 꼬리 노드 rear
        self._size: int = 0

    def size(self) -> int:
        """큐의 길이 반환"""
        return self._size

    def is_empty(self) -> bool:
        """큐가 비어 있는지 판단"""
        return self._size == 0

    def push(self, num: int):
        """큐에 삽입"""
        # 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        node = ListNode(num)
        # 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
        if self._front is None:
            self._front = node
            self._rear = node
        # 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
        else:
            self._rear.next = node
            self._rear = node
        self._size += 1

    def pop(self) -> int:
        """큐에서 꺼내기"""
        num = self.peek()
        # 머리 노드를 삭제한다
        self._front = self._front.next
        self._size -= 1
        return num

    def peek(self) -> int:
        """맨 앞 원소 접근"""
        if self.is_empty():
            raise IndexError("큐가 비어 있다")
        return self._front.val

    def to_list(self) -> list[int]:
        """출력에 사용할 리스트로 변환"""
        queue = []
        temp = self._front
        while temp:
            queue.append(temp.val)
            temp = temp.next
        return queue
linkedlist_queue.cpp
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
class LinkedListQueue {
  private:
    ListNode *front, *rear; // 머리 노드 front, 꼬리 노드 rear
    int queSize;

  public:
    LinkedListQueue() {
        front = nullptr;
        rear = nullptr;
        queSize = 0;
    }

    ~LinkedListQueue() {
        // 연결 리스트를 순회하며 노드를 삭제하여 메모리를 해제한다
        freeMemoryLinkedList(front);
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    int size() {
        return queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    bool isEmpty() {
        return queSize == 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    void push(int num) {
        // 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        ListNode *node = new ListNode(num);
        // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
        if (front == nullptr) {
            front = node;
            rear = node;
        }
        // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
        else {
            rear->next = node;
            rear = node;
        }
        queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    int pop() {
        int num = peek();
        // 머리 노드를 삭제한다
        ListNode *tmp = front;
        front = front->next;
        // 메모리 해제
        delete tmp;
        queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    int peek() {
        if (size() == 0)
            throw out_of_range("큐가 비어 있다");
        return front->val;
    }

    /* 연결 리스트를 Vector로 변환하여 반환 */
    vector<int> toVector() {
        ListNode *node = front;
        vector<int> res(size());
        for (int i = 0; i < res.size(); i++) {
            res[i] = node->val;
            node = node->next;
        }
        return res;
    }
};
linkedlist_queue.java
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
class LinkedListQueue {
    private ListNode front, rear; // 머리 노드 front, 꼬리 노드 rear
    private int queSize = 0;

    public LinkedListQueue() {
        front = null;
        rear = null;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    public int size() {
        return queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    public boolean isEmpty() {
        return size() == 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    public void push(int num) {
        // 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        ListNode node = new ListNode(num);
        // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
        if (front == null) {
            front = node;
            rear = node;
        // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
        } else {
            rear.next = node;
            rear = node;
        }
        queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    public int pop() {
        int num = peek();
        // 머리 노드를 삭제한다
        front = front.next;
        queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    public int peek() {
        if (isEmpty())
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        return front.val;
    }

    /* 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 */
    public int[] toArray() {
        ListNode node = front;
        int[] res = new int[size()];
        for (int i = 0; i < res.length; i++) {
            res[i] = node.val;
            node = node.next;
        }
        return res;
    }
}
linkedlist_queue.cs
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
class LinkedListQueue {
    ListNode? front, rear;  // 머리 노드 front, 꼬리 노드 rear 
    int queSize = 0;

    public LinkedListQueue() {
        front = null;
        rear = null;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    public int Size() {
        return queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    public bool IsEmpty() {
        return Size() == 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    public void Push(int num) {
        // 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        ListNode node = new(num);
        // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
        if (front == null) {
            front = node;
            rear = node;
            // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
        } else if (rear != null) {
            rear.next = node;
            rear = node;
        }
        queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    public int Pop() {
        int num = Peek();
        // 머리 노드를 삭제한다
        front = front?.next;
        queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    public int Peek() {
        if (IsEmpty())
            throw new Exception();
        return front!.val;
    }

    /* 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 */
    public int[] ToArray() {
        if (front == null)
            return [];

        ListNode? node = front;
        int[] res = new int[Size()];
        for (int i = 0; i < res.Length; i++) {
            res[i] = node!.val;
            node = node.next;
        }
        return res;
    }
}
linkedlist_queue.go
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
type linkedListQueue struct {
    // 내장 패키지 list로 큐를 구현한다
    data *list.List
}

/* 큐 초기화 */
func newLinkedListQueue() *linkedListQueue {
    return &linkedListQueue{
        data: list.New(),
    }
}

/* 큐에 삽입 */
func (s *linkedListQueue) push(value any) {
    s.data.PushBack(value)
}

/* 큐에서 꺼내기 */
func (s *linkedListQueue) pop() any {
    if s.isEmpty() {
        return nil
    }
    e := s.data.Front()
    s.data.Remove(e)
    return e.Value
}

/* 맨 앞 원소 접근 */
func (s *linkedListQueue) peek() any {
    if s.isEmpty() {
        return nil
    }
    e := s.data.Front()
    return e.Value
}

/* 큐의 길이 반환 */
func (s *linkedListQueue) size() int {
    return s.data.Len()
}

/* 큐가 비어 있는지 판단 */
func (s *linkedListQueue) isEmpty() bool {
    return s.data.Len() == 0
}

/* 출력에 사용할 List 반환 */
func (s *linkedListQueue) toList() *list.List {
    return s.data
}
linkedlist_queue.swift
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
class LinkedListQueue {
    private var front: ListNode? // 머리 노드
    private var rear: ListNode? // 꼬리 노드
    private var _size: Int

    init() {
        _size = 0
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    func size() -> Int {
        _size
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    func isEmpty() -> Bool {
        size() == 0
    }

    /* 큐에 삽입 */
    func push(num: Int) {
        // 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        let node = ListNode(x: num)
        // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
        if front == nil {
            front = node
            rear = node
        }
        // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
        else {
            rear?.next = node
            rear = node
        }
        _size += 1
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    @discardableResult
    func pop() -> Int {
        let num = peek()
        // 머리 노드를 삭제한다
        front = front?.next
        _size -= 1
        return num
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    func peek() -> Int {
        if isEmpty() {
            fatalError("큐가 비어 있다")
        }
        return front!.val
    }

    /* 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 */
    func toArray() -> [Int] {
        var node = front
        var res = Array(repeating: 0, count: size())
        for i in res.indices {
            res[i] = node!.val
            node = node?.next
        }
        return res
    }
}
linkedlist_queue.js
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
class LinkedListQueue {
    #front; // 머리 노드 #front
    #rear; // 꼬리 노드 #rear
    #queSize = 0;

    constructor() {
        this.#front = null;
        this.#rear = null;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    get size() {
        return this.#queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    isEmpty() {
        return this.size === 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    push(num) {
        // 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        const node = new ListNode(num);
        // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
        if (!this.#front) {
            this.#front = node;
            this.#rear = node;
            // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
        } else {
            this.#rear.next = node;
            this.#rear = node;
        }
        this.#queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    pop() {
        const num = this.peek();
        // 머리 노드를 삭제한다
        this.#front = this.#front.next;
        this.#queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    peek() {
        if (this.size === 0) throw new Error('큐가 비어 있다');
        return this.#front.val;
    }

    /* 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 */
    toArray() {
        let node = this.#front;
        const res = new Array(this.size);
        for (let i = 0; i < res.length; i++) {
            res[i] = node.val;
            node = node.next;
        }
        return res;
    }
}
linkedlist_queue.ts
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
class LinkedListQueue {
    private front: ListNode | null; // 머리 노드 front
    private rear: ListNode | null; // 꼬리 노드 rear
    private queSize: number = 0;

    constructor() {
        this.front = null;
        this.rear = null;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    get size(): number {
        return this.queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    isEmpty(): boolean {
        return this.size === 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    push(num: number): void {
        // 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        const node = new ListNode(num);
        // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
        if (!this.front) {
            this.front = node;
            this.rear = node;
            // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
        } else {
            this.rear!.next = node;
            this.rear = node;
        }
        this.queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    pop(): number {
        const num = this.peek();
        if (!this.front) throw new Error('큐가 비어 있다');
        // 머리 노드를 삭제한다
        this.front = this.front.next;
        this.queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    peek(): number {
        if (this.size === 0) throw new Error('큐가 비어 있다');
        return this.front!.val;
    }

    /* 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 */
    toArray(): number[] {
        let node = this.front;
        const res = new Array<number>(this.size);
        for (let i = 0; i < res.length; i++) {
            res[i] = node!.val;
            node = node!.next;
        }
        return res;
    }
}
linkedlist_queue.dart
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
class LinkedListQueue {
  ListNode? _front; // 머리 노드 _front
  ListNode? _rear; // 꼬리 노드 _rear
  int _queSize = 0; // 큐 길이

  LinkedListQueue() {
    _front = null;
    _rear = null;
  }

  /* 큐의 길이 반환 */
  int size() {
    return _queSize;
  }

  /* 큐가 비어 있는지 판단 */
  bool isEmpty() {
    return _queSize == 0;
  }

  /* 큐에 삽입 */
  void push(int _num) {
    // 꼬리 노드 뒤에 _num을 추가한다
    final node = ListNode(_num);
    // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
    if (_front == null) {
      _front = node;
      _rear = node;
    } else {
      // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
      _rear!.next = node;
      _rear = node;
    }
    _queSize++;
  }

  /* 큐에서 꺼내기 */
  int pop() {
    final int _num = peek();
    // 머리 노드를 삭제한다
    _front = _front!.next;
    _queSize--;
    return _num;
  }

  /* 맨 앞 원소 접근 */
  int peek() {
    if (_queSize == 0) {
      throw Exception('큐가 비어 있다');
    }
    return _front!.val;
  }

  /* 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 */
  List<int> toArray() {
    ListNode? node = _front;
    final List<int> queue = [];
    while (node != null) {
      queue.add(node.val);
      node = node.next;
    }
    return queue;
  }
}
linkedlist_queue.rs
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
#[allow(dead_code)]
pub struct LinkedListQueue<T> {
    front: Option<Rc<RefCell<ListNode<T>>>>, // 머리 노드 front
    rear: Option<Rc<RefCell<ListNode<T>>>>,  // 꼬리 노드 rear
    que_size: usize,                         // 큐의 길이
}

impl<T: Copy> LinkedListQueue<T> {
    pub fn new() -> Self {
        Self {
            front: None,
            rear: None,
            que_size: 0,
        }
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    pub fn size(&self) -> usize {
        return self.que_size;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    pub fn is_empty(&self) -> bool {
        return self.que_size == 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    pub fn push(&mut self, num: T) {
        // 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        let new_rear = ListNode::new(num);
        match self.rear.take() {
            // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
            Some(old_rear) => {
                old_rear.borrow_mut().next = Some(new_rear.clone());
                self.rear = Some(new_rear);
            }
            // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
            None => {
                self.front = Some(new_rear.clone());
                self.rear = Some(new_rear);
            }
        }
        self.que_size += 1;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    pub fn pop(&mut self) -> Option<T> {
        self.front.take().map(|old_front| {
            match old_front.borrow_mut().next.take() {
                Some(new_front) => {
                    self.front = Some(new_front);
                }
                None => {
                    self.rear.take();
                }
            }
            self.que_size -= 1;
            old_front.borrow().val
        })
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    pub fn peek(&self) -> Option<&Rc<RefCell<ListNode<T>>>> {
        self.front.as_ref()
    }

    /* 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 */
    pub fn to_array(&self, head: Option<&Rc<RefCell<ListNode<T>>>>) -> Vec<T> {
        let mut res: Vec<T> = Vec::new();

        fn recur<T: Copy>(cur: Option<&Rc<RefCell<ListNode<T>>>>, res: &mut Vec<T>) {
            if let Some(cur) = cur {
                res.push(cur.borrow().val);
                recur(cur.borrow().next.as_ref(), res);
            }
        }

        recur(head, &mut res);

        res
    }
}
linkedlist_queue.c
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
typedef struct {
    ListNode *front, *rear;
    int queSize;
} LinkedListQueue;

/* 생성자 */
LinkedListQueue *newLinkedListQueue() {
    LinkedListQueue *queue = (LinkedListQueue *)malloc(sizeof(LinkedListQueue));
    queue->front = NULL;
    queue->rear = NULL;
    queue->queSize = 0;
    return queue;
}

/* 소멸자 */
void delLinkedListQueue(LinkedListQueue *queue) {
    // 모든 노드를 해제한다
    while (queue->front != NULL) {
        ListNode *tmp = queue->front;
        queue->front = queue->front->next;
        free(tmp);
    }
    // queue 구조체를 해제한다
    free(queue);
}

/* 큐의 길이 반환 */
int size(LinkedListQueue *queue) {
    return queue->queSize;
}

/* 큐가 비어 있는지 판단 */
bool empty(LinkedListQueue *queue) {
    return (size(queue) == 0);
}

/* 큐에 삽입 */
void push(LinkedListQueue *queue, int num) {
    // 꼬리 노드 위치에 node를 추가한다
    ListNode *node = newListNode(num);
    // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
    if (queue->front == NULL) {
        queue->front = node;
        queue->rear = node;
    }
    // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
    else {
        queue->rear->next = node;
        queue->rear = node;
    }
    queue->queSize++;
}

/* 맨 앞 원소 접근 */
int peek(LinkedListQueue *queue) {
    assert(size(queue) && queue->front);
    return queue->front->val;
}

/* 큐에서 꺼내기 */
int pop(LinkedListQueue *queue) {
    int num = peek(queue);
    ListNode *tmp = queue->front;
    queue->front = queue->front->next;
    free(tmp);
    queue->queSize--;
    return num;
}

/* 큐 출력 */
void printLinkedListQueue(LinkedListQueue *queue) {
    int *arr = malloc(sizeof(int) * queue->queSize);
    // 연결 리스트의 데이터를 배열에 복사한다
    int i;
    ListNode *node;
    for (i = 0, node = queue->front; i < queue->queSize; i++) {
        arr[i] = node->val;
        node = node->next;
    }
    printArray(arr, queue->queSize);
    free(arr);
}
linkedlist_queue.kt
/* 연결 리스트로 구현한 큐 */
class LinkedListQueue(
    // 머리 노드 front, 꼬리 노드 rear
    private var front: ListNode? = null,
    private var rear: ListNode? = null,
    private var queSize: Int = 0
) {

    /* 큐의 길이 반환 */
    fun size(): Int {
        return queSize
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    fun isEmpty(): Boolean {
        return size() == 0
    }

    /* 큐에 삽입 */
    fun push(num: Int) {
        // 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
        val node = ListNode(num)
        // 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
        if (front == null) {
            front = node
            rear = node
            // 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
        } else {
            rear?.next = node
            rear = node
        }
        queSize++
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    fun pop(): Int {
        val num = peek()
        // 머리 노드를 삭제한다
        front = front?.next
        queSize--
        return num
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    fun peek(): Int {
        if (isEmpty()) throw IndexOutOfBoundsException()
        return front!!._val
    }

    /* 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 */
    fun toArray(): IntArray {
        var node = front
        val res = IntArray(size())
        for (i in res.indices) {
            res[i] = node!!._val
            node = node.next
        }
        return res
    }
}
linkedlist_queue.rb
### 연결 리스트로 구현한 큐 ###
class LinkedListQueue
  ### 큐의 길이 반환 ###
  attr_reader :size

  ### 생성자 ###
  def initialize
    @front = nil  # 머리 노드 front
    @rear = nil   # 꼬리 노드 rear
    @size = 0
  end

  ### 큐가 비어 있는지 판단 ###
  def is_empty?
    @front.nil?
  end

  ### 큐에 삽입 ###
  def push(num)
    # 꼬리 노드 뒤에 num을 추가한다
    node = ListNode.new(num)

    # 큐가 비어 있으면 머리와 꼬리 노드가 모두 해당 노드를 가리키게 한다
    if @front.nil?
      @front = node
      @rear = node
    # 큐가 비어 있지 않으면 해당 노드를 꼬리 노드 뒤에 추가한다
    else
      @rear.next = node
      @rear = node
    end

    @size += 1
  end

  ### 큐에서 꺼내기 ###
  def pop
    num = peek
    # 머리 노드를 삭제한다
    @front = @front.next
    @size -= 1
    num
  end

  ### 맨 앞 원소 접근 ###
  def peek
    raise IndexError, '큐가 비어 있다' if is_empty?

    @front.val
  end

  ### 연결 리스트를 Array로 변환하여 반환 ###
  def to_array
    queue = []
    temp = @front
    while temp
      queue << temp.val
      temp = temp.next
    end
    queue
  end
end
코드 시각화

2.   배열 기반 구현

배열에서 첫 원소를 삭제하는 시간 복잡도는 \(O(n)\)이므로, 큐에서 원소를 꺼내는 효율이 낮아진다. 그러나 다음과 같은 방법으로 이 문제를 피할 수 있다.

변수 front로 큐의 맨 앞 원소 인덱스를 가리키고, 변수 size로 큐의 길이를 기록한다. rear = front + size로 정의하면 rear는 큐의 맨 뒤 원소 바로 다음 위치를 가리킨다.

이 설계에서는 배열에서 원소가 들어 있는 유효 구간이 [front, rear - 1]이며, 각 연산의 구현 방법은 아래 그림(5-6)과 같다.

  • 삽입: 인덱스 rear에 입력 원소를 대입하고 size를 1 늘린다.
  • 꺼내기: front를 1 늘리고 size를 1 줄이면 된다.

두 연산 모두 한 번의 처리만 필요하므로 시간 복잡도는 \(O(1)\)이다.

배열 기반 큐의 삽입과 꺼내기

배열 기반 큐에 원소 삽입

배열 기반 큐에서 원소 꺼내기

그림 5-6   배열 기반 큐의 삽입과 꺼내기

여기에는 한 가지 문제가 있다. 삽입과 꺼내기를 반복하면 front와 rear가 계속 오른쪽으로 이동하다가 배열의 끝에 도달하면 더 이상 움직일 수 없다. 이를 해결하려면 배열을 앞뒤가 이어진 ‘원형 배열’로 볼 수 있다.

원형 배열에서는 front나 rear가 배열의 끝을 넘으면 곧바로 처음으로 돌아와 순회를 계속하게 해야 한다. 이 주기적 규칙은 ‘나머지 연산’으로 구현할 수 있다. 코드는 다음과 같다.

array_queue.py
class ArrayQueue:
    """원형 배열로 구현한 큐"""

    def __init__(self, size: int):
        """생성자"""
        self._nums: list[int] = [0] * size  # 큐의 원소를 저장하는 배열
        self._front: int = 0  # 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
        self._size: int = 0  # 큐 길이

    def capacity(self) -> int:
        """큐의 용량 반환"""
        return len(self._nums)

    def size(self) -> int:
        """큐의 길이 반환"""
        return self._size

    def is_empty(self) -> bool:
        """큐가 비어 있는지 판단"""
        return self._size == 0

    def push(self, num: int):
        """큐에 삽입"""
        if self._size == self.capacity():
            raise IndexError("큐가 가득 찼다")
        # 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        # 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        rear: int = (self._front + self._size) % self.capacity()
        # num을 맨 뒤에 추가한다
        self._nums[rear] = num
        self._size += 1

    def pop(self) -> int:
        """큐에서 꺼내기"""
        num: int = self.peek()
        # 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        self._front = (self._front + 1) % self.capacity()
        self._size -= 1
        return num

    def peek(self) -> int:
        """맨 앞 원소 접근"""
        if self.is_empty():
            raise IndexError("큐가 비어 있다")
        return self._nums[self._front]

    def to_list(self) -> list[int]:
        """출력에 사용할 리스트 반환"""
        res = [0] * self.size()
        j: int = self._front
        for i in range(self.size()):
            res[i] = self._nums[(j % self.capacity())]
            j += 1
        return res
array_queue.cpp
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
class ArrayQueue {
  private:
    int *nums;       // 큐의 원소를 저장하는 배열
    int front;       // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    int queSize;     // 큐 길이
    int queCapacity; // 큐 용량

  public:
    ArrayQueue(int capacity) {
        // 배열 초기화
        nums = new int[capacity];
        queCapacity = capacity;
        front = queSize = 0;
    }

    ~ArrayQueue() {
        delete[] nums;
    }

    /* 큐의 용량 반환 */
    int capacity() {
        return queCapacity;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    int size() {
        return queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    bool isEmpty() {
        return size() == 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    void push(int num) {
        if (queSize == queCapacity) {
            cout << "큐가 가득 찼다" << endl;
            return;
        }
        // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        int rear = (front + queSize) % queCapacity;
        // num을 맨 뒤에 추가한다
        nums[rear] = num;
        queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    int pop() {
        int num = peek();
        // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        front = (front + 1) % queCapacity;
        queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    int peek() {
        if (isEmpty())
            throw out_of_range("큐가 비어 있다");
        return nums[front];
    }

    /* 배열을 Vector로 변환하여 반환 */
    vector<int> toVector() {
        // 유효한 길이 범위 안의 리스트 원소만 변환한다
        vector<int> arr(queSize);
        for (int i = 0, j = front; i < queSize; i++, j++) {
            arr[i] = nums[j % queCapacity];
        }
        return arr;
    }
};
array_queue.java
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
class ArrayQueue {
    private int[] nums; // 큐의 원소를 저장하는 배열
    private int front; // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    private int queSize; // 큐 길이

    public ArrayQueue(int capacity) {
        nums = new int[capacity];
        front = queSize = 0;
    }

    /* 큐의 용량 반환 */
    public int capacity() {
        return nums.length;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    public int size() {
        return queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    public boolean isEmpty() {
        return queSize == 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    public void push(int num) {
        if (queSize == capacity()) {
            System.out.println("큐가 가득 찼다");
            return;
        }
        // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        int rear = (front + queSize) % capacity();
        // num을 맨 뒤에 추가한다
        nums[rear] = num;
        queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    public int pop() {
        int num = peek();
        // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        front = (front + 1) % capacity();
        queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    public int peek() {
        if (isEmpty())
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        return nums[front];
    }

    /* 배열 반환 */
    public int[] toArray() {
        // 유효한 길이 범위 안의 리스트 원소만 변환한다
        int[] res = new int[queSize];
        for (int i = 0, j = front; i < queSize; i++, j++) {
            res[i] = nums[j % capacity()];
        }
        return res;
    }
}
array_queue.cs
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
class ArrayQueue {
    int[] nums;  // 큐의 원소를 저장하는 배열
    int front;   // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    int queSize; // 큐 길이

    public ArrayQueue(int capacity) {
        nums = new int[capacity];
        front = queSize = 0;
    }

    /* 큐의 용량 반환 */
    int Capacity() {
        return nums.Length;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    public int Size() {
        return queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    public bool IsEmpty() {
        return queSize == 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    public void Push(int num) {
        if (queSize == Capacity()) {
            Console.WriteLine("큐가 가득 찼다");
            return;
        }
        // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        int rear = (front + queSize) % Capacity();
        // num을 맨 뒤에 추가한다
        nums[rear] = num;
        queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    public int Pop() {
        int num = Peek();
        // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        front = (front + 1) % Capacity();
        queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    public int Peek() {
        if (IsEmpty())
            throw new Exception();
        return nums[front];
    }

    /* 배열 반환 */
    public int[] ToArray() {
        // 유효한 길이 범위 안의 리스트 원소만 변환한다
        int[] res = new int[queSize];
        for (int i = 0, j = front; i < queSize; i++, j++) {
            res[i] = nums[j % this.Capacity()];
        }
        return res;
    }
}
array_queue.go
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
type arrayQueue struct {
    nums        []int // 큐의 원소를 저장하는 배열
    front       int   // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    queSize     int   // 큐 길이
    queCapacity int   // 큐 용량(저장할 수 있는 최대 원소 개수)
}

/* 큐 초기화 */
func newArrayQueue(queCapacity int) *arrayQueue {
    return &arrayQueue{
        nums:        make([]int, queCapacity),
        queCapacity: queCapacity,
        front:       0,
        queSize:     0,
    }
}

/* 큐의 길이 반환 */
func (q *arrayQueue) size() int {
    return q.queSize
}

/* 큐가 비어 있는지 판단 */
func (q *arrayQueue) isEmpty() bool {
    return q.queSize == 0
}

/* 큐에 삽입 */
func (q *arrayQueue) push(num int) {
    // rear == queCapacity이면 큐가 가득 찼음을 나타낸다
    if q.queSize == q.queCapacity {
        return
    }
    // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
    // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
    rear := (q.front + q.queSize) % q.queCapacity
    // num을 맨 뒤에 추가한다
    q.nums[rear] = num
    q.queSize++
}

/* 큐에서 꺼내기 */
func (q *arrayQueue) pop() any {
    num := q.peek()
    if num == nil {
        return nil
    }

    // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
    q.front = (q.front + 1) % q.queCapacity
    q.queSize--
    return num
}

/* 맨 앞 원소 접근 */
func (q *arrayQueue) peek() any {
    if q.isEmpty() {
        return nil
    }
    return q.nums[q.front]
}

/* 출력에 사용할 Slice 반환 */
func (q *arrayQueue) toSlice() []int {
    rear := (q.front + q.queSize)
    if rear >= q.queCapacity {
        rear %= q.queCapacity
        return append(q.nums[q.front:], q.nums[:rear]...)
    }
    return q.nums[q.front:rear]
}
array_queue.swift
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
class ArrayQueue {
    private var nums: [Int] // 큐의 원소를 저장하는 배열
    private var front: Int // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    private var _size: Int // 큐 길이

    init(capacity: Int) {
        // 배열 초기화
        nums = Array(repeating: 0, count: capacity)
        front = 0
        _size = 0
    }

    /* 큐의 용량 반환 */
    func capacity() -> Int {
        nums.count
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    func size() -> Int {
        _size
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    func isEmpty() -> Bool {
        size() == 0
    }

    /* 큐에 삽입 */
    func push(num: Int) {
        if size() == capacity() {
            print("큐가 가득 찼다")
            return
        }
        // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        let rear = (front + size()) % capacity()
        // num을 맨 뒤에 추가한다
        nums[rear] = num
        _size += 1
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    @discardableResult
    func pop() -> Int {
        let num = peek()
        // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        front = (front + 1) % capacity()
        _size -= 1
        return num
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    func peek() -> Int {
        if isEmpty() {
            fatalError("큐가 비어 있다")
        }
        return nums[front]
    }

    /* 배열 반환 */
    func toArray() -> [Int] {
        // 유효한 길이 범위 안의 리스트 원소만 변환한다
        (front ..< front + size()).map { nums[$0 % capacity()] }
    }
}
array_queue.js
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
class ArrayQueue {
    #nums; // 큐의 원소를 저장하는 배열
    #front = 0; // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    #queSize = 0; // 큐 길이

    constructor(capacity) {
        this.#nums = new Array(capacity);
    }

    /* 큐의 용량 반환 */
    get capacity() {
        return this.#nums.length;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    get size() {
        return this.#queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    isEmpty() {
        return this.#queSize === 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    push(num) {
        if (this.size === this.capacity) {
            console.log('큐가 가득 찼다');
            return;
        }
        // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        const rear = (this.#front + this.size) % this.capacity;
        // num을 맨 뒤에 추가한다
        this.#nums[rear] = num;
        this.#queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    pop() {
        const num = this.peek();
        // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        this.#front = (this.#front + 1) % this.capacity;
        this.#queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    peek() {
        if (this.isEmpty()) throw new Error('큐가 비어 있다');
        return this.#nums[this.#front];
    }

    /* Array를 반환한다 */
    toArray() {
        // 유효한 길이 범위 안의 리스트 원소만 변환한다
        const arr = new Array(this.size);
        for (let i = 0, j = this.#front; i < this.size; i++, j++) {
            arr[i] = this.#nums[j % this.capacity];
        }
        return arr;
    }
}
array_queue.ts
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
class ArrayQueue {
    private nums: number[]; // 큐의 원소를 저장하는 배열
    private front: number; // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    private queSize: number; // 큐 길이

    constructor(capacity: number) {
        this.nums = new Array(capacity);
        this.front = this.queSize = 0;
    }

    /* 큐의 용량 반환 */
    get capacity(): number {
        return this.nums.length;
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    get size(): number {
        return this.queSize;
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    isEmpty(): boolean {
        return this.queSize === 0;
    }

    /* 큐에 삽입 */
    push(num: number): void {
        if (this.size === this.capacity) {
            console.log('큐가 가득 찼다');
            return;
        }
        // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        const rear = (this.front + this.queSize) % this.capacity;
        // num을 맨 뒤에 추가한다
        this.nums[rear] = num;
        this.queSize++;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    pop(): number {
        const num = this.peek();
        // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        this.front = (this.front + 1) % this.capacity;
        this.queSize--;
        return num;
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    peek(): number {
        if (this.isEmpty()) throw new Error('큐가 비어 있다');
        return this.nums[this.front];
    }

    /* Array를 반환한다 */
    toArray(): number[] {
        // 유효한 길이 범위 안의 리스트 원소만 변환한다
        const arr = new Array(this.size);
        for (let i = 0, j = this.front; i < this.size; i++, j++) {
            arr[i] = this.nums[j % this.capacity];
        }
        return arr;
    }
}
array_queue.dart
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
class ArrayQueue {
  late List<int> _nums; // 큐의 원소를 저장하는 배열
  late int _front; // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
  late int _queSize; // 큐 길이

  ArrayQueue(int capacity) {
    _nums = List.filled(capacity, 0);
    _front = _queSize = 0;
  }

  /* 큐의 용량 반환 */
  int capaCity() {
    return _nums.length;
  }

  /* 큐의 길이 반환 */
  int size() {
    return _queSize;
  }

  /* 큐가 비어 있는지 판단 */
  bool isEmpty() {
    return _queSize == 0;
  }

  /* 큐에 삽입 */
  void push(int _num) {
    if (_queSize == capaCity()) {
      throw Exception("큐가 가득 찼다");
    }
    // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
    // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
    int rear = (_front + _queSize) % capaCity();
    // _num을 맨 뒤에 추가한다
    _nums[rear] = _num;
    _queSize++;
  }

  /* 큐에서 꺼내기 */
  int pop() {
    int _num = peek();
    // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
    _front = (_front + 1) % capaCity();
    _queSize--;
    return _num;
  }

  /* 맨 앞 원소 접근 */
  int peek() {
    if (isEmpty()) {
      throw Exception("큐가 비어 있다");
    }
    return _nums[_front];
  }

  /* Array를 반환한다 */
  List<int> toArray() {
    // 유효한 길이 범위 안의 리스트 원소만 변환한다
    final List<int> res = List.filled(_queSize, 0);
    for (int i = 0, j = _front; i < _queSize; i++, j++) {
      res[i] = _nums[j % capaCity()];
    }
    return res;
  }
}
array_queue.rs
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
struct ArrayQueue<T> {
    nums: Vec<T>,      // 큐의 원소를 저장하는 배열
    front: i32,        // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    que_size: i32,     // 큐 길이
    que_capacity: i32, // 큐 용량
}

impl<T: Copy + Default> ArrayQueue<T> {
    /* 생성자 */
    fn new(capacity: i32) -> ArrayQueue<T> {
        ArrayQueue {
            nums: vec![T::default(); capacity as usize],
            front: 0,
            que_size: 0,
            que_capacity: capacity,
        }
    }

    /* 큐의 용량 반환 */
    fn capacity(&self) -> i32 {
        self.que_capacity
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    fn size(&self) -> i32 {
        self.que_size
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    fn is_empty(&self) -> bool {
        self.que_size == 0
    }

    /* 큐에 삽입 */
    fn push(&mut self, num: T) {
        if self.que_size == self.capacity() {
            println!("큐가 가득 찼다");
            return;
        }
        // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        let rear = (self.front + self.que_size) % self.que_capacity;
        // num을 맨 뒤에 추가한다
        self.nums[rear as usize] = num;
        self.que_size += 1;
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    fn pop(&mut self) -> T {
        let num = self.peek();
        // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        self.front = (self.front + 1) % self.que_capacity;
        self.que_size -= 1;
        num
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    fn peek(&self) -> T {
        if self.is_empty() {
            panic!("인덱스가 범위를 벗어났다");
        }
        self.nums[self.front as usize]
    }

    /* 배열 반환 */
    fn to_vector(&self) -> Vec<T> {
        let cap = self.que_capacity;
        let mut j = self.front;
        let mut arr = vec![T::default(); cap as usize];
        for i in 0..self.que_size {
            arr[i as usize] = self.nums[(j % cap) as usize];
            j += 1;
        }
        arr
    }
}
array_queue.c
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
typedef struct {
    int *nums;       // 큐의 원소를 저장하는 배열
    int front;       // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    int queSize;     // 현재 큐의 원소 개수
    int queCapacity; // 큐 용량
} ArrayQueue;

/* 생성자 */
ArrayQueue *newArrayQueue(int capacity) {
    ArrayQueue *queue = (ArrayQueue *)malloc(sizeof(ArrayQueue));
    // 배열 초기화
    queue->queCapacity = capacity;
    queue->nums = (int *)malloc(sizeof(int) * queue->queCapacity);
    queue->front = queue->queSize = 0;
    return queue;
}

/* 소멸자 */
void delArrayQueue(ArrayQueue *queue) {
    free(queue->nums);
    free(queue);
}

/* 큐의 용량 반환 */
int capacity(ArrayQueue *queue) {
    return queue->queCapacity;
}

/* 큐의 길이 반환 */
int size(ArrayQueue *queue) {
    return queue->queSize;
}

/* 큐가 비어 있는지 판단 */
bool empty(ArrayQueue *queue) {
    return queue->queSize == 0;
}

/* 맨 앞 원소 접근 */
int peek(ArrayQueue *queue) {
    assert(size(queue) != 0);
    return queue->nums[queue->front];
}

/* 큐에 삽입 */
void push(ArrayQueue *queue, int num) {
    if (size(queue) == capacity(queue)) {
        printf("큐가 가득 찼다\r\n");
        return;
    }
    // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
    // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
    int rear = (queue->front + queue->queSize) % queue->queCapacity;
    // num을 맨 뒤에 추가한다
    queue->nums[rear] = num;
    queue->queSize++;
}

/* 큐에서 꺼내기 */
int pop(ArrayQueue *queue) {
    int num = peek(queue);
    // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
    queue->front = (queue->front + 1) % queue->queCapacity;
    queue->queSize--;
    return num;
}

/* 출력에 사용할 배열 반환 */
int *toArray(ArrayQueue *queue, int *queSize) {
    *queSize = queue->queSize;
    int *res = (int *)calloc(queue->queSize, sizeof(int));
    int j = queue->front;
    for (int i = 0; i < queue->queSize; i++) {
        res[i] = queue->nums[j % queue->queCapacity];
        j++;
    }
    return res;
}
array_queue.kt
/* 원형 배열로 구현한 큐 */
class ArrayQueue(capacity: Int) {
    private val nums: IntArray = IntArray(capacity) // 큐의 원소를 저장하는 배열
    private var front: Int = 0 // 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    private var queSize: Int = 0 // 큐 길이

    /* 큐의 용량 반환 */
    fun capacity(): Int {
        return nums.size
    }

    /* 큐의 길이 반환 */
    fun size(): Int {
        return queSize
    }

    /* 큐가 비어 있는지 판단 */
    fun isEmpty(): Boolean {
        return queSize == 0
    }

    /* 큐에 삽입 */
    fun push(num: Int) {
        if (queSize == capacity()) {
            println("큐가 가득 찼다")
            return
        }
        // 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
        // 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
        val rear = (front + queSize) % capacity()
        // num을 맨 뒤에 추가한다
        nums[rear] = num
        queSize++
    }

    /* 큐에서 꺼내기 */
    fun pop(): Int {
        val num = peek()
        // 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
        front = (front + 1) % capacity()
        queSize--
        return num
    }

    /* 맨 앞 원소 접근 */
    fun peek(): Int {
        if (isEmpty()) throw IndexOutOfBoundsException()
        return nums[front]
    }

    /* 배열 반환 */
    fun toArray(): IntArray {
        // 유효한 길이 범위 안의 리스트 원소만 변환한다
        val res = IntArray(queSize)
        var i = 0
        var j = front
        while (i < queSize) {
            res[i] = nums[j % capacity()]
            i++
            j++
        }
        return res
    }
}
array_queue.rb
### 원형 배열로 구현한 큐 ###
class ArrayQueue
  ### 큐의 길이 반환 ###
  attr_reader :size

  ### 생성자 ###
  def initialize(size)
    @nums = Array.new(size, 0) # 큐의 원소를 저장하는 배열
    @front = 0 # 맨 앞 원소를 가리키는 맨 앞 포인터
    @size = 0 # 큐 길이
  end

  ### 큐의 용량 반환 ###
  def capacity
    @nums.length
  end

  ### 큐가 비어 있는지 판단 ###
  def is_empty?
    size.zero?
  end

  ### 큐에 삽입 ###
  def push(num)
    raise IndexError, '큐가 가득 찼다' if size == capacity

    # 맨 뒤 인덱스 + 1을 가리키는 맨 뒤 포인터를 계산한다
    # 나머지 연산을 통해 rear가 배열의 끝을 넘어가면 처음으로 돌아오게 한다
    rear = (@front + size) % capacity
    # num을 맨 뒤에 추가한다
    @nums[rear] = num
    @size += 1
  end

  ### 큐에서 꺼내기 ###
  def pop
    num = peek
    # 맨 앞 포인터를 뒤로 한 칸 이동하고, 끝을 넘어가면 배열의 처음으로 돌아온다
    @front = (@front + 1) % capacity
    @size -= 1
    num
  end

  ### 맨 앞 원소 접근 ###
  def peek
    raise IndexError, '큐가 비어 있다' if is_empty?

    @nums[@front]
  end

  ### 출력에 사용할 리스트 반환 ###
  def to_array
    res = Array.new(size, 0)
    j = @front

    for i in 0...size
      res[i] = @nums[j % capacity]
      j += 1
    end

    res
  end
end
코드 시각화

위 큐 구현에는 여전히 길이를 바꿀 수 없다는 한계가 있다. 하지만 배열을 동적 배열로 바꾸어 용량 확장 방식을 도입하면 쉽게 해결할 수 있다. 관심 있는 독자는 직접 구현해 보자.

두 구현의 비교 결과는 스택과 같으므로 여기서는 반복해서 설명하지 않는다.

5.2.3   큐의 대표적인 활용

  • 타오바오 주문. 구매자가 주문하면 큐에 들어가고, 시스템은 순서대로 처리한다. 광군제 기간에는 짧은 시간에 엄청난 주문이 몰리므로 높은 동시성을 처리하는 일이 엔지니어들의 핵심 과제가 된다.
  • 여러 종류의 대기 작업. 프린터 작업 대기열, 식당 음식 제공 대기열 등 ‘먼저 온 순서’를 지켜야 하는 상황에서 큐는 처리 순서를 효과적으로 유지한다.
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