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前言:Java数据结构与算法专题会不定时更新,欢迎各位读者监督。本文介绍数据结构中的队列(queue)的概念、存储结构、队列的特点,文末给出java实现循环队列的代码实现供读者参考学习。

1.队列的概念

队列正如其名,队列就像一支队伍,有队首(head)队尾(tail)以及队列长度。队列和栈类似,也是一个遵循特殊规则约束的数据结构。在上一篇文章java数据结构与算法——栈中介绍栈是一个后进先出(LIFO)的数据结构,队列正好与之相反,是一个先进先出(FIFO,First In First Out),例如我们去肯德基排队,先排上队的肯定先拿到餐出队,这和我们对列认知是一致的。

上面说到队列是一个遵循特殊规则的数据结构,除了先进先出,队列的插入只能从队列的一端操作,我们称这端为队尾;对应的,移除只能从另一端出来,我们称之为队首。

将没有元素的队列称之为空队,往队列中插入元素的过程称之为入队,从队列中移除元素的过程称之为出队。

一般而言,队列的实现有两种方式:数组实现和链表实现,本篇中采取数组实现,链表实现在后续补充。用数组实现的队列有两种:一种是顺序队列,另一种是循环队列,这两种队列的存储结构和特点下文会逐一介绍。

说明:用数组实现队列,若队列中出现队满的情况(因为在声明队列时,一般会指定一个初始容量),此时如果有新元素入队,但没有位置怎么办?要么丢弃,要么等待。

2.队列的存储结构

以下采用数组实现,初始化一个队列长度为6,队列有两个标记,一个队头的位置head,一个队尾的位置tail,初始都指向数组下标为0的位置,如图所示:
图片描述

在插入元素时,tail标记+1,比如入队三个元素,依次为A,B,C(注意是有顺序的),则当前队列存储情况如图:图片描述
当前head为0,tail为3,接下来进行出队操作,此处将A元素出队,则head+1,此时队列的存储情况如图:图片描述

根据上面的图例,我们可以通过tail-head获得队列中元素的个数。当tail==head时,此时队列为空,而当tail等于数组长度时,此时将无法出入元素,那么队列是否已经满呢?未必!因为head和tail在入队和出队操作中只增不减,因此head和tail都会最终指向队列之外的存储位置,此时虽然数组为空,但也无法将元素入队。

上溢: 当队列中无法插入元素时,称之为上溢;
假上溢: 在顺序队列中,数组还有空间(不一定全空)但无法入队称之为假上溢;
真上溢: 如果head为0,tail指向数组之外,即数组真满了,称之为真上溢;
下溢: 如果空队中执行出队操作,此时队列中无元素,称之为下溢

如何解决“假上溢”的问题呢?此时引入循环队列。出现假上溢时,此时数组还有空闲的位置,将tail从新指向数组的0索引处即可,如图所示:
图片描述

如果继续入队E和F,则队列的存储结构如图:图片描述
通常而言,在对head和tail加1时,为了方便采用对数组长度取余操作。另外由于顺序队列存在“假上溢”的现象,所以一般用循环队列实现。

在采用循环队列实现的过程中,当队列满队时,tail等于head,而当队列空时,tail也等于head,为了区分两种状态,一般规定循环队列的长度为数组长度-1,即有一个位置不放元素,此时head==tail时为空队,而当head==(tail+1)%数组长度,说明对满。

3.队列的java代码实现

下面是循环队列的java代码,采用数组方式实现:

public class ArrayQueue {
    private final Object[] queue;  //声明一个数组
    private int head;
    private int tail;
    
    /**
     * 初始化队列
     * @param capacity 队列长度
     */
    public ArrayQueue(int capacity){
        this.queue = new Object[capacity];
    }
    
    /**
     * 入队
     * @param o 入队元素
     * @return 入队成功与否
     */
    public boolean put(Object o){
        if(head == (tail+1)%queue.length){
            //说明队满
            return false;
        }
        queue[tail] = o;
        tail = (tail+1)%queue.length;  //tail标记后移一位
        return true;
    }
    
    /**
     * 返回队首元素,但不出队
     * @return
     */
    public Object peak() {
        if(head==tail){
            //队空
            return null;
        }
        return queue[head];        
    }
    
    /**
     * 出队
     * @return 出队元素
     */
    public Object pull(){
        if(head==tail){
            return null;
        }
        Object item = queue[head];
        queue[head] = null;
        return item;
    }
    
    /**
     * 判断是否为空
     * @return
     */
    public boolean isEmpty(){
        return head == tail;
    }
    
    /**
     * 判断是否为满
     * @return
     */
    public boolean isFull(){
        return head == (tail+1)%queue.length;
    }
    
    /**
     * 获取队列中的元素个数
     * @return
     */
    public int getsize(){
        if(tail>=head){
            return tail-head;
        }else{
            return (tail+queue.length)-head;
        }
    }    
}

下面是队列的测试代码

public class ArrayQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue q = new ArrayQueue(4);  //初始化队列长度为3,因为循环队列有一个不放元素
        System.out.println(q.put("张三"));  //入队,true
        System.out.println(q.put("李四"));  //入队,true 
        System.out.println(q.put("赵五"));  //入队,true
        System.out.println(q.put("老王"));  //队满,false
        
        System.out.println(q.isFull());  //队满 true
        System.out.println(q.getsize()); //3,队列中有3个元素
        
        System.out.println(q.peak());  //返回“张三”  不出队
        System.out.println(q.pull());  //返回“张三”  
        System.out.println(q.pull());  //返回“李四”  
        System.out.println(q.pull());  //返回“赵五”  
        
        System.out.println(q.isEmpty());  //true 空队
    }
}

4.队列的应用场景

队列先入先出的特点,使得其应用非常广泛,比如队列作为“缓冲区”,可以解决计算机和外设速度不匹配的问题,FIFO的特点保证了数据传输的顺序;除此之外队列在后面树的层序遍历中也有应用,FIFO的特点保证了处理顺序不会出错。


好记性不如烂本子
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