4.讲究先来后到的队列

概述

目标：

队列的存储结构及操作特点
java中队列相关的api
基于单链表的队列实现
刷题(设计循环队列)

存储结构及特点

队列(queue) 和栈一样，代表具有一类操作特征的数据结构，拿日常生活中的一个场景举例说明，去车站的窗口买票，就要排队，先来的人就先买，后到的人就后买，先来的人排至队头，后来的人排至队尾，不允许插队，先进先出，这就是典型的队列；先进先出(First In First Out) 即 FIFO，为了方便理解队列这种数据结构，将以两幅图，第一个是队列，第二个是栈，两图作对比
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总结： 队列和栈一样都属于一种操作受限的线性表，栈只允许在一端进行操作，分别是入栈和出栈，而队列跟栈很相似，支持的操作也有限，最基本的两个操作，一个叫入队对，将数据插入到队列末尾，另一个叫出队列，从队列头部取出一个数据
注意： 入队列和出队列的时间复杂度均为O(1)

队列实现

java api

像队列和栈这种数据结构在高级语言中的实现特别的丰富，成熟
Interface Queue 链接
全类名 java.util.Queue

									方法摘要

	Throws exception	Returns special value
Insert	add(e)	offer(e)
Remove	remove()	poll()
Examine	element()	peek()

链表实现队列

基于单链表实现的队列，需要两个指针：head指针和 tail 指针；它们分别指向链表的第一个 节点 ，如图所示，入队时， tail.next = new_node ，tail = tail.next 即先添加到链表尾，再将 tail 指向新加的 节点，出队时， head = head.next 即将原来的第一个头节点，变为原来的第二个节点
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实现时，将 java.util.Queue 直接复制过来
队列接口如下：

public interface Queue<E> {boolean add(E e);boolean offer(E e);E remove();E poll();E element();E peek();boolean isEmpty();
}

队列实现类如下：

public class LinkedListQueue<E> implements Queue<E> {// 队列大小int size;// 头节点Node<E> head;// 尾节点Node<E> tail;public LinkedListQueue() {}@Overridepublic boolean add(E e) {addTail(e);return true;}@Overridepublic boolean offer(E e) {addTail(e);return true;}@Overridepublic E remove() {if (size == 0) {throw new NoSuchElementException("队列为空!");}return removeHead().val;}@Overridepublic E poll() {if (size == 0) {return null;}return removeHead().val;}@Overridepublic E element() {if (size == 0) {throw new NoSuchElementException("队列为空!");}return head.val;}@Overridepublic E peek() {if (size == 0) {return null;}return head.val;}@Overridepublic String toString() {StringBuilder sb = new StringBuilder();Node<E> h = head;while (h != null) {sb.append(h.val).append("->");h = h.next;}return sb.append("null").toString();}public boolean isEmpty() {return size == 0;}private Node<E> removeHead() {Node<E> h = head;head = head.next;h.next = null;size--;return h;}private void addTail(E item) {Node<E> tmp = tail;Node<E> newNode = new Node<>(item, null);tail = newNode;if (tmp == null) {// 链表为空,即入队既是头又是尾head = newNode;} else {// tmp 此是是倒数第二个节点tmp.next = tail;}size++;}private static class Node<E> {E val;Node<E> next;public Node(E val, Node<E> next) {this.val = val;this.next = next;}}
}

测试类如下：

public static void main(String[] args) {Queue<String> queue = new LinkedListQueue();queue.add("1");queue.add("2");queue.add("3");System.out.println("队列是否为空:" + queue.isEmpty());System.out.println(queue);System.out.println("出队元素:"+queue.remove());System.out.println(queue);System.out.println("出队元素:"+queue.poll());System.out.println(queue);System.out.println("队列头元素:"+queue.peek());System.out.println(queue);}

刷题(设计循环队列)

设计循环队列
为充分利用队列空间，克服"假溢出"现象的方法是：将队列空间想象为一个首尾相接的圆环，循环队列(Circular Queue)是把顺序队列首尾相连，把存储队列元素的表从逻辑上看成一个环，成为循环队列。
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在循环队列中，当队列为空时，可知 front = rear；而当所有队列空间全占满时，也有 front = rear 。为了 区别 这两种情况，假设队列使用的数组有 capacity 个存储空间，则此时规定循环队列最多只能有 capacity - 1 个队列元素，当循环队列中只剩下一个空间存储单元时，则表示队列已满；根据以上可知，队列判空条件是 front = rear ，而队列判断为满的条件是 front = (rear + 1) mod capacity ，如上图队列已满。对于固定大小的数组，只要知道队尾 rear 与队首 front ，即可计算出队列当前的长度：(rear - front + capacity) mod capacity，如下图
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此时由公式：0 - 1 + 5 % 5 = 4 队列长度为 4

分析完来看代码

public class MyCircularQueue {private int[] data;private int front, rear;public MyCircularQueue(int k) {// 因为满队列实际上是数组少1个，所以加上1data = new int[k + 1];}public boolean enQueue(int value) {if (isFull()) {return false;}data[rear] = value;// 不能直接 rear ++ ，值会无限增大rear = getNext(rear);return true;}public boolean deQueue() {if (isEmpty()) {return false;}front = getNext(front);return true;}@Overridepublic String toString() {StringBuilder sb = new StringBuilder();sb.append("头节点下标:" + front).append(",").append("尾节点下标:" + rear).append(" ");for (int i = 0; i < this.data.length; i++) {sb.append("a[").append(i).append("] = ").append(this.data[i]).append(",");}return sb.toString();}public boolean isEmpty() {return front == rear;}public boolean isFull() {return getNext(rear) == front;}private int getNext(int cur) {// 获取当前数据的下一个数据的下标return (cur + 1) % data.length;}
}

测试如下图，队列满，然后出一个进一个，重复两次执行
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测试

public class MyCircularQueueTest {public static void main(String[] args) {MyCircularQueue queue = new MyCircularQueue(5);System.out.println("队列是否为空:" + queue.isEmpty());queue.enQueue(1);System.out.println(queue);queue.enQueue(2);queue.enQueue(3);queue.enQueue(4);queue.enQueue(5);System.out.println(queue);System.out.println("加入是否成功!" + queue.enQueue(5));queue.deQueue();System.out.println("队列头部元素出队:" + queue);System.out.println("加入是否成功!" + queue.enQueue(6));System.out.println(queue);// -----queue.deQueue();System.out.println("队列头部元素出队:" + queue);System.out.println("加入是否成功!" + queue.enQueue(7));System.out.println(queue);}
}