Java數據結構與算法[原創]——隊列

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前言：Java數據結構與算法專題會不定時更新，歡迎各位讀者監督。本文介紹數據結構中的隊列（queue）的概念、存儲結構、隊列的特色，文末給出java實現循環隊列的代碼實現供讀者參考學習。

1.隊列的概念

隊列正如其名，隊列就像一支隊伍，有隊首(head)和隊尾(tail)以及隊列長度。隊列和棧相似，也是一個遵循特殊規則約束的數據結構。在上一篇文章java數據結構與算法——棧中介紹棧是一個後進先出（LIFO）的數據結構，隊列正好與之相反，是一個先進先出（FIFO，First In First Out），例如咱們去肯德基排隊，先排上隊的確定先拿到餐出隊，這和咱們對列認知是一致的。

上面說到隊列是一個遵循特殊規則的數據結構，除了先進先出，隊列的插入只能從隊列的一端操做，咱們稱這端爲隊尾；對應的，移除只能從另外一端出來，咱們稱之爲隊首。

將沒有元素的隊列稱之爲空隊，往隊列中插入元素的過程稱之爲入隊，從隊列中移除元素的過程稱之爲出隊。

通常而言，隊列的實現有兩種方式：數組實現和鏈表實現，本篇中採起數組實現，鏈表實如今後續補充。用數組實現的隊列有兩種：一種是順序隊列，另外一種是循環隊列，這兩種隊列的存儲結構和特色下文會逐一介紹。

說明：用數組實現隊列，若隊列中出現隊滿的狀況（由於在聲明隊列時，通常會指定一個初始容量），此時若是有新元素入隊，但沒有位置怎麼辦？要麼丟棄，要麼等待。

2.隊列的存儲結構

如下采用數組實現，初始化一個隊列長度爲6，隊列有兩個標記，一個隊頭的位置head，一個隊尾的位置tail，初始都指向數組下標爲0的位置，如圖所示：

在插入元素時，tail標記+1，好比入隊三個元素，依次爲A，B，C（注意是有順序的），則當前隊列存儲狀況如圖：
當前head爲0，tail爲3，接下來進行出隊操做，此處將A元素出隊，則head+1，此時隊列的存儲狀況如圖：

根據上面的圖例，咱們能夠經過tail-head得到隊列中元素的個數。當tail==head時，此時隊列爲空，而當tail等於數組長度時，此時將沒法出入元素，那麼隊列是否已經滿呢？未必！由於head和tail在入隊和出隊操做中只增不減，所以head和tail都會最終指向隊列以外的存儲位置，此時雖然數組爲空，但也沒法將元素入隊。

上溢： 當隊列中沒法插入元素時，稱之爲上溢；
假上溢： 在順序隊列中，數組還有空間（不必定全空）但沒法入隊稱之爲假上溢；
真上溢： 若是head爲0，tail指向數組以外，即數組真滿了，稱之爲真上溢；
下溢： 若是空隊中執行出隊操做，此時隊列中無元素，稱之爲下溢

如何解決「假上溢」的問題呢？此時引入循環隊列。出現假上溢時，此時數組還有空閒的位置，將tail重新指向數組的0索引處便可，如圖所示：

若是繼續入隊E和F，則隊列的存儲結構如圖：
一般而言，在對head和tail加1時，爲了方便採用對數組長度取餘操做。另外因爲順序隊列存在「假上溢」的現象，因此通常用循環隊列實現。

在採用循環隊列實現的過程當中，當隊列滿隊時，tail等於head，而當隊列空時，tail也等於head，爲了區分兩種狀態，通常規定循環隊列的長度爲數組長度-1，即有一個位置不放元素，此時head==tail時爲空隊，而當head==(tail+1)%數組長度，說明對滿。

3.隊列的java代碼實現

下面是循環隊列的java代碼，採用數組方式實現：

public class ArrayQueue {
    private final Object[] queue;  //聲明一個數組
    private int head;
    private int tail;
    
    /**
     * 初始化隊列
     * @param capacity 隊列長度
     */
    public ArrayQueue(int capacity){
        this.queue = new Object[capacity];
    }
    
    /**
     * 入隊
     * @param o 入隊元素
     * @return 入隊成功與否
     */
    public boolean put(Object o){
        if(head == (tail+1)%queue.length){
            //說明隊滿
            return false;
        }
        queue[tail] = o;
        tail = (tail+1)%queue.length;  //tail標記後移一位
        return true;
    }
    
    /**
     * 返回隊首元素，但不出隊
     * @return
     */
    public Object peak() {
        if(head==tail){
            //隊空
            return null;
        }
        return queue[head];        
    }
    
    /**
     * 出隊
     * @return 出隊元素
     */
    public Object pull(){
        if(head==tail){
            return null;
        }
        Object item = queue[head];
        queue[head] = null;
        return item;
    }
    
    /**
     * 判斷是否爲空
     * @return
     */
    public boolean isEmpty(){
        return head == tail;
    }
    
    /**
     * 判斷是否爲滿
     * @return
     */
    public boolean isFull(){
        return head == (tail+1)%queue.length;
    }
    
    /**
     * 獲取隊列中的元素個數
     * @return
     */
    public int getsize(){
        if(tail>=head){
            return tail-head;
        }else{
            return (tail+queue.length)-head;
        }
    }    
}

下面是隊列的測試代碼

public class ArrayQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue q = new ArrayQueue(4);  //初始化隊列長度爲3，由於循環隊列有一個不放元素
        System.out.println(q.put("張三"));  //入隊，true
        System.out.println(q.put("李四"));  //入隊，true 
        System.out.println(q.put("趙五"));  //入隊，true
        System.out.println(q.put("老王"));  //隊滿，false
        
        System.out.println(q.isFull());  //隊滿 true
        System.out.println(q.getsize()); //3，隊列中有3個元素
        
        System.out.println(q.peak());  //返回「張三」  不出隊
        System.out.println(q.pull());  //返回「張三」  
        System.out.println(q.pull());  //返回「李四」  
        System.out.println(q.pull());  //返回「趙五」  
        
        System.out.println(q.isEmpty());  //true 空隊
    }
}

4.隊列的應用場景

隊列先入先出的特色，使得其應用很是普遍，好比隊列做爲「緩衝區」，能夠解決計算機和外設速度不匹配的問題，FIFO的特色保證了數據傳輸的順序；除此以外隊列在後面樹的層序遍歷中也有應用，FIFO的特色保證了處理順序不會出錯。