系列文章目录
集合及数据结构第八节(下)———— 队列(Queue)、队列的模拟实现和练习
队列(Queue)、队列的模拟实现和练习
- 队列的概念
- 队列的使用
- 队列模拟实现
- 循环队列
- 双端队列
- 练习题
文章目录
- 系列文章目录
- 集合及数据结构第八节(下)———— 队列(Queue)、队列的模拟实现和练习
- 一、队列(Queue)
- 1.队列的概念
- 2.队列的使用( * * )
- 3.队列模拟实现( * * * )
- 定义接口
- 接口的实现
- 入队列
- 出队列
- 获取队头元素
- 获取队列中有效元素个数
- 获取队头元素
- 4.循环队列
- 如何区分空与满
- 数组下标循环的小技巧
- 设计循环队列
- 5.双端队列 (Deque)
- 二、练习题
- 1.用队列实现栈
- 思路:
- 代码实现:
- 2.用栈实现队列
- 思路:
- 代码实现:
一、队列(Queue)
1.队列的概念
队列:只允许在一端进行插入数据操作,在另一端进行删除数据操作的特殊线性表,队列具有先进先出FIFO(First
In First Out) 入队列:进行插入操作的一端称为队尾(Tail/Rear) 出队列:进行删除操作的一端称为队头(Head/Front)
2.队列的使用( * * )
注意:Queue是个接口,在实例化时必须实例化LinkedList的对象,因为LinkedList实现了Queue接口
java">import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;public static void main(String[] args) {Queue<Integer> q = new LinkedList<>();q.offer(1);q.offer(2);q.offer(3);q.offer(4);q.offer(5); // 从队尾入队列System.out.println(q.size());System.out.println(q.peek()); // 获取队头元素q.poll();System.out.println(q.poll()); // 从队头出队列,并将删除的元素返回if(q.isEmpty()){System.out.println("队列空");}else{System.out.println(q.size());}}
3.队列模拟实现( * * * )
队列中既然可以存储元素,那底层肯定要有能够保存元素的空间,通过前面线性表的学习了解到常见的空间类型有
两种:顺序结构 和 链式结构。而队列的实现使用链式结构更好。
定义接口
java">public interface Iquque {boolean offer(int val);//入队列int poll();//出队列int peek();//获取队头元素int size();//获取队列中有效元素个数boolean empty();//检测队列是否为空
}```
### <font color = "golden yellow'"> 定义队列的内部类</font>```javastatic class ListNode {//将节点定义成内部类public int val;//数据域public ListNode next;//后驱节点(引用类型)public ListNode prev;//前驱节点public ListNode(int val) {this.val = val;//没有初始化next默认为null(因为next是引用数据类型)}}public ListNode head;//头节点public ListNode last;//尾节点public int usedsize;//有效节点个数
接口的实现
入队列
思路:
第一次插入时head和last都指向这个节点
代码实现:
java"> public boolean offer(int val) {//入队列ListNode node = new ListNode(val);//创建一个node节点用来存放插入的数据if(head == null){//插入第一个数据this.head = node;this.last = node;}else {//有其他节点,进行尾插last.next = node;//先绑定后面更安全node.prev = this.last;this.last = node;}usedsize++;return true;//插入成功}
出队列
java">public class QueueEmptyWrong extends RuntimeException{public QueueEmptyWrong(String message){super(message);}
}
java"> public int poll() {//出队列if (head == null){//队列为空,抛出异常throw new QueueEmptyWrong("队列是空的,不能进行出队列");}int retVal = head.val;//用来存放这个节点的val值if (head.next == null){//只有一个节点head = null;last = null;return retVal;//返回这个节点的val值}//不止一个节点时head = head.next;//头节点不在指向第一个节点(指向第二个节点)head.prev = null;//第二个节点的前驱置为null(第一个节点出队列前)usedsize--;return retVal;//返回这个节点的val值}
获取队头元素
java"> public int peek() {//获取队头元素if (head == null){//队列为空,抛出异常throw new QueueEmptyWrong("队列是空的,不能进行出队列");}return head.val;//返回头节点的val值}
获取队列中有效元素个数
java"> public int size() {//获取队列中有效元素个数return usedsize;}
获取队头元素
java"> public boolean empty() {//检测队列是否为空return head == null;}
4.循环队列
实际中有时还会使用一种队列叫循环队列。如操作系统中讲解生产者消费者模型时可以就会使用循环队列。环形队列通常使用数组实现。
如何区分空与满
- 通过添加usedsize 属性记录
- 浪费一个空间表示满
- 使用标记
数组下标循环的小技巧
- 下标最后再往后(offset 小于 array.length): index = (index + offset) % array.length
- 下标最前再往前(offset 小于 array.length): index = (index + array.length - offset) % array.length
设计循环队列
设计你的循环队列实现。 循环队列是一种线性数据结构,其操作表现基于 FIFO(先进先出)原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。
循环队列的一个好处是可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里,一旦一个队列满了,就不能插入下一个元素,即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列,能使用这些空间去存储新的值。
队列的实现应该支持如下操作:
- MyCircularQueue(k): 构造器,设置队列长度为 k 。
- Front: 从队首获取元素。如果队列为空,返回 -1 。
- Rear: 获取队尾元素。如果队列为空,返回 -1 。
- enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
- deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
- isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
- isFull(): 检查循环队列是否已满。
java">class MyCircularQueue {public int[] elem;public int front;//队头public int rear; //队尾public MyCircularQueue(int k) {//构造器,设置队列长度为 k 。elem = new int[k + 1];//实际能存放的数据只有k个}public boolean enQueue(int value) {//向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真if (isFull()){//如果满了就不能放了return false;}//没有满就要插入元素elem[rear] = value;rear = (rear + 1) % elem.length;return true;}public boolean deQueue() {//从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真if (isEmpty()){//如果队列是空的就不能删除return false;}front = (front + 1) % elem.length;return true;}public int Front() {//从队首获取元素。如果队列为空,返回 -1if (isEmpty()){//如果队列是空的返回-1return -1;}return elem[front];}public int Rear() {//获取队尾元素。如果队列为空,返回 -1if (isEmpty()){//如果队列是空的返回-1return -1;}int index = (rear == 0) ? elem.length - 1 : rear -1;//当队尾指向0下标的位置时return elem[index]; // index队尾对应 下标就是elem.length - 1,否则直接就是rear - 1}public boolean isEmpty() {//检查循环队列是否为空。return front == rear;//当front 和 rear相等时为空}public boolean isFull() {//检查循环队列是否已满return (rear + 1) % elem.length == front;}
}
5.双端队列 (Deque)
双端队列(deque)是指允许两端都可以进行入队和出队操作的队列,deque 是 “double ended queue” 的简称。那就说明元素可以从队头出队和入队,也可以从队尾出队和入队
Deque是一个接口,使用时必须创建LinkedList的对象。
在实际工程中,使用Deque接口是比较多的,栈和队列均可以使用该接口
java">Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现
Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现
二、练习题
1.用队列实现栈
请你仅使用两个队列实现一个后入先出(LIFO)的栈,并支持普通栈的全部四种操作(push、top、pop 和 empty)。
实现 MyStack 类:
- void push(int x) 将元素 x 压入栈顶。
- int pop() 移除并返回栈顶元素。
- int top() 返回栈顶元素。
- boolean empty() 如果栈是空的,返回 true ;否则,返回 false 。
注意:
你只能使用队列的基本操作 —— 也就是 push to back、peek/pop from front、size 和 is empty
这些操作。 你所使用的语言也许不支持队列。 你可以使用 list (列表)或者 deque(双端队列)来模拟一个队列 ,只要是标准的队列操作即可。
思路:
- 创建两个队列。入栈的时候,哪个队列不为空放到哪个队列里(两个都是空的指定放到第一个里面)
- 出栈的时候哪个不为空出哪个(出size - 1 个元素放到第二个、队列里,再出第一个队列的元素)
- 当两个队列同时是空的,模拟的栈就是空的
代码实现:
java">class MyStack {private Queue<Integer> queue1;private Queue<Integer> queue2;public MyStack() {queue1 = new LinkedList<>();queue2 = new LinkedList<>();}public void push(int x) {//将元素 x 压入栈顶if (!queue1.isEmpty()){//第一个队列不为空,放进第一个队列queue1.offer(x);} else if (!queue2.isEmpty()) {//第二个队列不为空,放进第二个队列queue2.offer(x);}else {//两个都是空的指定放到第一个里面queue1.offer(x);}}public int pop() {// 移除并返回栈顶元素if (empty()) {//当两个队列都是是空的,返回-(错误)return -1;}if (!queue1.isEmpty()){//第一个队列不为空,出size - 1个元素到queue2中int size = queue1.size();for (int i = 0; i < size - 1; i++) {int x = queue1.poll();//弹出第size - 1个元素放到x里面queue2.offer(x);//存到queue2里面}return queue1.poll();//再出第一个队列的元素} else {//第二个队列不为空,出size - 1个元素到queue1中int size = queue2.size();for (int i = 0; i < size - 1; i++) {int x = queue2.poll();//弹出第size - 1个元素放到x里面queue1.offer(x);//存到queue1里面}return queue2.poll();//再出第二个队列的元素}}public int top() {//返回栈顶元素。if (empty()) {//当两个队列都是是空的,返回-(错误)return -1;}if (!queue1.isEmpty()){//第一个队列不为空,出size 个元素到queue2中int size = queue1.size();int x = -1;for (int i = 0; i < size ; i++) {x = queue1.poll();//弹出第size 个元素放到x里面queue2.offer(x);//存到queue2里面}return x;//返回队列最后的元素(栈顶的元素)} else {//第二个队列不为空,出size 个元素到queue1中int size = queue2.size();int x = -1;for (int i = 0; i < size ; i++) {x = queue2.poll();//弹出第size 个元素放到x里面queue1.offer(x);//存到queue1里面}return x;//返回队列最后的元素(栈顶的元素)}}public boolean empty() {//如果栈是空的,返回 true ;否则,返回 falsereturn queue1.isEmpty() && queue2.isEmpty();//当两个队列同时是空的,模拟的栈就是空的}
}
2.用栈实现队列
请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作(push、pop、peek、empty):
实现 MyQueue 类:
- void push(int x) 将元素 x 推到队列的末尾
- int pop() 从队列的开头移除并返回元素
- int peek() 返回队列开头的元素
- boolean empty() 如果队列为空,返回 true ;否则,返回 false
说明:
- 你 只能 使用标准的栈操作 —— 也就是只有 push to top, peek/pop from top, size, 和 is empty 操作是合法的。
- 你所使用的语言也许不支持栈。你可以使用 list 或者 deque(双端队列)来模拟一个栈,只要是标准的栈操作即可。
示例 1:
输入:
[“MyQueue”, “push”, “push”, “peek”, “pop”, “empty”]
[[], [1], [2], [], [], []]
输出:
[null, null, null, 1, 1, false]
解释:
MyQueue myQueue = new MyQueue();
myQueue.push(1); // queue is: [1]
myQueue.push(2); // queue is: [1, 2] (leftmost is front of the queue)
myQueue.peek(); // return 1
myQueue.pop(); // return 1, queue is [2]
myQueue.empty(); // return false
思路:
- 入队的时候,都放到第一个栈里。
- 出队的时候,把第一个栈的元素移到第二个栈中,然后再出第二个栈中的元素。
- List item
代码实现:
java">package queuedemo;import java.util.Stack;class MyQueue {private Stack<Integer> s1;//第一个栈private Stack<Integer> s2;//第二个栈public MyQueue() {s1 = new Stack<>();//实例化s1s2 = new Stack<>();//实例化s2}public void push(int x) {// 将元素 x 推到队列的末尾s1.push(x);}public int pop() {//从队列的开头移除并返回元素if (empty()){//如果队列为空,返回-1return -1;}if (s2.empty()){//当s2为空的时候把s1的元素移到s2里(当s2不为空的时候先把s2出完)while (!s1.empty()){s2.push(s1.pop());}}return s2.pop();}public int peek() {//返回队列开头的元素if (empty()){//如果队列为空,返回-1return -1;}if (s2.empty()){//当s2为空的时候把s1的元素移到s2里while (!s1.empty()){s2.push(s1.pop());}}return s2.peek();}public boolean empty() {//如果队列为空,返回 true ;否则,返回 falsereturn s1.empty() && s2.empty();}
}