Java数据结构和算法(五)——队列

  前面一篇博客我们讲解了并不像数组一样完全作为存储数据功能,而是作为构思算法的辅助工具的数据结构——栈,本篇博客我们介绍另外一个这样的工具——队列。栈是后进先出,而队列刚好相反,是先进先出。

1、队列的基本概念

  队列(queue)是一种特殊的线性表,特殊之处在于它只允许在表的前端(front)进行删除操作,而在表的后端(rear)进行插入操作,和栈一样,队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头。队列中没有元素时,称为空队列。

  队列的数据元素又称为队列元素。在队列中插入一个队列元素称为入队,从队列中删除一个队列元素称为出队。因为队列只允许在一端插入,在另一端删除,所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除,故队列又称为先进先出(FIFO—first in first out)线性表。

  比如我们去电影院排队买票,第一个进入排队序列的都是第一个买到票离开队列的人,而最后进入排队序列排队的都是最后买到票的。

  在比如在计算机操作系统中,有各种队列在安静的工作着,比如打印机在打印列队中等待打印。

  队列分为:

  ①、单向队列(Queue):只能在一端插入数据,另一端删除数据。

  ②、双向队列(Deque):每一端都可以进行插入数据和删除数据操作。

  这里我们还会介绍一种队列——优先级队列,优先级队列是比栈和队列更专用的数据结构,在优先级队列中,数据项按照关键字进行排序,关键字最小(或者最大)的数据项往往在队列的最前面,而数据项在插入的时候都会插入到合适的位置以确保队列的有序。

 

2、Java模拟单向队列实现

  在实现之前,我们先看下面几个问题:

  ①、与栈不同的是,队列中的数据不总是从数组的0下标开始的,移除一些队头front的数据后,队头指针会指向一个较高的下标位置,如下图:

  

Java数据结构和算法(五)——队列

  ②、我们再设计时,队列中新增一个数据时,队尾的指针rear 会向上移动,也就是向下标大的方向。移除数据项时,队头指针 front 也会向下移动。那么这样设计好像和现实情况相反,比如排队买电影票,队头的买完票就离开了,然后队伍整体向前移动。在计算机中也可以在队列中删除一个数之后,队列整体向前移动,但是这样做效率很差。我们选择的做法是移动队头和队尾的指针。

  ③、如果向第②步这样移动指针,相信队尾指针很快就移动到数据的最末端了,这时候可能移除过数据,那么队头会有空着的位置,然后新来了一个数据项,由于队尾不能再向上移动了,那该怎么办呢?如下图:

  

Java数据结构和算法(五)——队列

  为了避免队列不满却不能插入新的数据,我们可以让队尾指针绕回到数组开始的位置,这也称为“循环队列”。

  

Java数据结构和算法(五)——队列

  弄懂原理之后,Java实现代码如下:

package com.ys.datastructure; public class MyQueue { private Object[] queArray; //队列总大小 private int maxSize; //前端 private int front; //后端 private int rear; //队列中元素的实际数目 private int nItems; public MyQueue(int s){ maxSize = s; queArray = new Object[maxSize]; front = 0; rear = -1; nItems = 0; } //队列中新增数据 public void insert(int value){ if(isFull()){ System.out.println("队列已满!!!"); }else{ //如果队列尾部指向顶了,那么循环回来,执行队列的第一个元素 if(rear == maxSize -1){ rear = -1; } //队尾指针加1,然后在队尾指针处插入新的数据 queArray[++rear] = value; nItems++; } } //移除数据 public Object remove(){ Object removeValue = null ; if(!isEmpty()){ removeValue = queArray[front]; queArray[front] = null; front++; if(front == maxSize){ front = 0; } nItems--; return removeValue; } return removeValue; } //查看对头数据 public Object peekFront(){ return queArray[front]; } //判断队列是否满了 public boolean isFull(){ return (nItems == maxSize); } //判断队列是否为空 public boolean isEmpty(){ return (nItems ==0); } //返回队列的大小 public int getSize(){ return nItems; } }

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