Cola (Estructura de datos)

Cola (Estructura de datos) Concepto: Una cola es una estructura de datos donde el primer elemento en entrar es el primero en salir.

Cola (informática). Una cola es una estructura de datos, caracterizada por ser una secuencia de elementos en la que la operación de inserción push se realiza por un extremo y la operación de extracción pop por el otro. También se le llama estructura FIFO (del inglés First In First Out), debido a que el primer elemento en entrar será también el primero en salir.

Las colas se utilizan en sistemas informáticos, transportes y operaciones de investigación (entre otros), dónde los objetos, personas o eventos son tomados como datos que se almacenan y se guardan mediante colas para su posterior procesamiento. Este tipo de estructura de datos abstracta se implementa en lenguajes orientados a objetos mediante clases, en forma de listas enlazadas.

Usos concretos de la cola

Ejemplo de Cola

La particularidad de una estructura de datos de cola es el hecho de que sólo podemos acceder al primer y al último elemento de la estructura. Así mismo, los elementos sólo se pueden eliminar por el principio y sólo se pueden añadir por el final de la cola.

Ejemplos de colas en la vida real serían: personas comprando en un supermercado, esperando para entrar a ver un partido de béisbol, esperando en el cine para ver una película, una pequeña peluquería, etc. La idea esencial es que son todos líneas de espera.

En estos casos, el primer elemento de la lista realiza su función (pagar comida, pagar entrada para el partido o para el cine) y deja la cola. Este movimiento está representado en la cola por la función pop o desencolar. Cada vez que otro elemento se añade a la lista de espera se añaden al final de la cola representando la función push o encolar. Hay otras funciones auxiliares para ver el tamaño de la cola (size), para ver si está vacía en el caso de que no haya nadie esperando (empty) o para ver el primer elemento de la cola (front).

Información adicional

Teóricamente, la característica de las colas es que tienen una capacidad específica. Por muchos elementos que contengan siempre se puede añadir un elemento más y en caso de estar vacía borrar un elemento sería imposible hasta que no se añade un nuevo elemento. A la hora de añadir un elemento podríamos darle una mayor importancia a unos elementos que a otros (un cargo VIP) y para ello se crea un tipo de cola especial que es la cola de prioridad. (Ver cola de prioridad).

Esto es una falacia.

Operaciones Básicas

• Crear: se crea la cola vacía.
• Encolar (añadir, entrar, push): se añade un elemento a la cola. Se añade al final de esta.
• Desencolar (sacar, salir, pop): se elimina el elemento frontal de la cola, es decir, el primer elemento que entró.
• Frente (consultar, front): se devuelve el elemento frontal de la cola, es decir, el primero elemento que entró.

Implementaciones

Colas en Maude

La ColaNV es la cola no vacía, que diferenciamos de la cola normal a la hora de tomar en cuenta errores. A su vez, el elemento X representa el tipo de valor que puede contener la cola: entero, carácter, registro....etc

fmod COLA {X :: TRIV} is
    sorts ColaNV{X} Cola{X} .
    subsort ColaNV{X} < Cola{X} .
    *** generadores
    op crear   : -> Cola{X} [ctor] .
    op encolar : X$Elt Cola{X} -> ColaNV {X} [ctor] .

    *** constructores
    op desencolar : Cola{X} -> Cola{X} .

    *** selectores
    op frente : ColaNV{X} -> X$Elt .

    *** variables
    var C : ColaNV{X} .
    vars E E2 : X$Elt .

    *** ecuaciones
    eq desencolar(crear) = crear .
    eq desencolar(encolar(E, crear)) = crear .
    eq desencolar(encolar(E, C)) = encolar(E, desencolar(C)) .

    eq frente(encolar(E, crear)) = E .
    eq frente(encolar(E, C)) = frente(C) .
  endfm


Especificación de una cola de colas de enteros en Maude:

  view VInt from TRIV to INT is 
  	sort Elt to Int .
  endv
  
  view VColaInt from TRIV to COLA{VInt} is 
  	sort Elt to Cola{VInt} .
  endv
  
  fmod COLA-COLAS-INT is
  	protecting INT .
  	protecting COLA{VColaInt} .
  		
  	*** operaciones propias de la cola de colas de enteros
	op encolarInt    : Int ColaNV{VColaInt} -> ColaNV{VColaInt} .
	op desencolarInt : Cola{VColaInt}       -> Cola{VColaInt} .
	op frenteInt     : ColaNV{VColaInt}     -> [Int] .
	
	*** variables
	var CCNV : ColaNV{VColaInt} .
	var CC   : Cola{VColaInt} .
	var CE   : Cola{VInt} .
	var E    : Int .
	
	*** ecuaciones	
	eq encolarInt(E, encolar(CE, CC)) = encolar(encolar(E, CE), CC) .

        eq desencolarInt (encolar(CE, crear)) = encolar(desencolar(CE), crear) . 
        eq desencolarInt (encolar(CE, CCNV)) = encolar(CE, desencolarInt(CCNV)) . 

	eq frenteInt(CCNV) = frente(frente(CCNV)) .
  endfm

Colas en C++

  #ifndef COLA
  #define COLA // Define la cola
  template <class T>
  class Cola{
      private:
        struct Nodo{
            T elemento;
            struct Nodo* siguiente;  // coloca el nodo en la segunda posición
        }* primero;
        struct Nodo* ultimo;
        unsigned int elementos;
      public:
        Cola(){
            elementos = 0;
        }
        ~Cola(){
            while (elementos != 0) pop();
        }
        void push(const T& elem){
            Nodo* aux = new Nodo;
            aux->elemento = elem;
            if (elementos == 0) primero = aux;
            else ultimo->siguiente = aux;
            ultimo = aux;
            ++elementos;
        }
        void pop(){
            Nodo* aux = primero;
            primero = primero->siguiente;
            delete aux;
            --elementos;
        }
        T consultar() const{
            return primero->elemento;
        }
        bool vacia() const{
            return elementos == 0;
        }
        unsigned int size() const{
            return elementos;
        }
    };
    #endif

Colas en JAVA

    public void inserta(Elemento x) {
        Nodo Nuevo;
        Nuevo = new Nodo(x, null);
        if (NodoCabeza == null) {
            NodoCabeza = Nuevo;
        } else {
            NodoFinal.Siguiente = Nuevo;
        }
        NodoFinal = Nuevo;
    }

    public Elemento cabeza() throws IllegalArgumentException {
        if (NodoCabeza == null) {
            throw new IllegalArgumentException();
        } else {
            return NodoCabeza.Info;
        }
    }

    public Cola() {
    // Devuelve una Cola vacía
        NodoCabeza = null;
        NodoFinal = null;           //Realizado Por Lic: Helton Petters
    }

Colas en C#

public partial class frmPrincipal
    {
        // Variables globales
        public static string[] Cola;
        public static int Frente;
        public static int Final;
        public static int N;
 
        [STAThread]
        public static void Main(string[] args)
        {
            Application.EnableVisualStyles();
            Application.SetCompatibleTextRenderingDefault(false);
            Application.Run(new frmPrincipal());
        }
 
        public frmPrincipal()    // Constructor
        {
 
            InitializeComponent();
 
            Cola = new string[5];   // Arreglo lineal de 5
            N = 4;
            Frente = -1;
            Final = -1;
        }
 
        void CmdInsercionClick(object sender, System.EventArgs e)
        {
            frmInsercion Insercion = new frmInsercion();
            Insercion.Show();
        }
 
        void CmdRecorridoClick(object sender, System.EventArgs e)
        {
            frmRecorrido Recorrido = new frmRecorrido();
            Recorrido.Show();
        }
 
        void CmdBusquedaClick(object sender, EventArgs e)
        {
            frmBusqueda Busqueda = new frmBusqueda();
            Busqueda.Show();
        }
 
        void CmdEliminacionClick(object sender, EventArgs e)
        {
            frmEliminacion Eliminar = new frmEliminacion();
            Eliminar.Show();
        }
    }

Algoritmo Insertar(Cola, N, Frente, Final, Elemento)

void CmdInsertarClick(object sender, System.EventArgs e)
        {
            elemento = txtInsercion.Text;
            // Se verifica que haya espacio en la Cola
            if (frmPrincipal.Frente == 0 && frmPrincipal.Final == frmPrincipal.N)
            {
                MessageBox.Show("La Cola esta llena");
                return;
            }
            if (frmPrincipal.Frente == frmPrincipal.Final + 1)
            {
                MessageBox.Show("La Cola esta llena"); 
                return;
            }
 
            // Si la cola esta vacia se inicializan punteros
            if (frmPrincipal.Frente == -1)
            {
                frmPrincipal.Frente = 0;
                frmPrincipal.Final = 0;
            }
            else if (frmPrincipal.Final == frmPrincipal.N)
            {
                frmPrincipal.Final = 0;
            }
            else
            {
                frmPrincipal.Final = frmPrincipal.Final + 1;
            }
            // Se agrega elemento a la Cola
            frmPrincipal.Cola[frmPrincipal.Final] = elemento;
            txtInsercion.Text = "";
 
        }

Algoritmo Eliminación (Cola, Frente, Final, N)

void CmdEliminarClick(object sender, EventArgs e)
        {
            if (frmPrincipal.Frente == -1)
            {
                MessageBox.Show("Cola Vacia");
                return;
            }
            string elemento = frmPrincipal.Cola[frmPrincipal.Frente];
 
            // si la cola tiene un solo elemento
            if (frmPrincipal.Frente == frmPrincipal.Final)
            {
                frmPrincipal.Frente = -1;
                frmPrincipal.Final = -1;
            }
 
            else if (frmPrincipal.Frente == frmPrincipal.N)
            {
                frmPrincipal.Frente = 0;
            }
 
            else
            {
                frmPrincipal.Frente = frmPrincipal.Frente + 1;   
            }
 
            lsEliminado.Items.Add(elemento);
        }

Tipos de colas

• Colas circulares (anillos): en las que el último elemento y el primero están unidos.

• Colas de prioridad: En ellas, los elementos se atienden en el orden indicado por una prioridad asociada a cada uno. Si varios elementos tienen la misma prioridad, se atenderán de modo convencional según la posición que ocupen. Hay 2 formas de implementación:

1. Añadir un campo a cada nodo con su prioridad. Resulta conveniente mantener la cola ordenada por orden de prioridad.
2. Crear tantas colas como prioridades haya, y almacenar cada elemento en su cola.

• Bicolas: son colas en donde los nodos se pueden añadir y quitar por ambos extremos; se les llama DEQUE (Double Ended QUEue). Para representar las bicolas lo podemos hacer con un array circular con Inicio y Fin que apunten a cada uno de los extremos. Hay variantes:

• Bicolas de entrada restringida: Son aquellas donde la inserción sólo se hace por el final, aunque podemos eliminar al inicio ó al final.

• Bicolas de salida restringida: Son aquellas donde sólo se elimina por el final, aunque se puede insertar al inicio y al final.
  

Fuentes

• Mi Tecnológico
• Wikipedia
• Colas en Informática