1、隊列的基本概念

隊列（queue）是一種特殊的線性表，特殊之處在于它只允許在表的前端（front）進行刪除操作，而在表的后端（rear）進行插入操作，和棧一樣，隊列是一種操作受限制的線性表。進行插入操作的端稱為隊尾，進行刪除操作的端稱為隊頭。隊列中沒有元素時，稱為空隊列。

隊列的數(shù)據(jù)元素又稱為隊列元素。在隊列中插入一個隊列元素稱為入隊，從隊列中刪除一個隊列元素稱為出隊。因為隊列只允許在一端插入，在另一端刪除，所以只有最早進入隊列的元素才能最先從隊列中刪除，故隊列又稱為先進先出（FIFO—first in first out）線性表。

比如我們?nèi)ル娪霸号抨犢I票，第一個進入排隊序列的都是第一個買到票離開隊列的人，而最后進入排隊序列排隊的都是最后買到票的。

在比如在計算機操作系統(tǒng)中，有各種隊列在安靜的工作著，比如打印機在打印列隊中等待打印。

隊列分為：

①、單向隊列（Queue）：只能在一端插入數(shù)據(jù)，另一端刪除數(shù)據(jù)。

②、雙向隊列（Deque）：每一端都可以進行插入數(shù)據(jù)和刪除數(shù)據(jù)操作。

這里我們還會介紹一種隊列——優(yōu)先級隊列，優(yōu)先級隊列是比棧和隊列更專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在優(yōu)先級隊列中，數(shù)據(jù)項按照關(guān)鍵字進行排序，關(guān)鍵字最?。ɑ蛘咦畲螅┑臄?shù)據(jù)項往往在隊列的最前面，而數(shù)據(jù)項在插入的時候都會插入到合適的位置以確保隊列的有序。

2、Java模擬單向隊列實現(xiàn)

在實現(xiàn)之前，我們先看下面幾個問題：

①、與棧不同的是，隊列中的數(shù)據(jù)不總是從數(shù)組的0下標開始的，移除一些隊頭front的數(shù)據(jù)后，隊頭指針會指向一個較高的下標位置，如下圖：　　

②、我們再設(shè)計時，隊列中新增一個數(shù)據(jù)時，隊尾的指針rear 會向上移動，也就是向下標大的方向。移除數(shù)據(jù)項時，隊頭指針 front 向上移動。那么這樣設(shè)計好像和現(xiàn)實情況相反，比如排隊買電影票，隊頭的買完票就離開了，然后隊伍整體向前移動。在計算機中也可以在隊列中刪除一個數(shù)之后，隊列整體向前移動，但是這樣做效率很差。我們選擇的做法是移動隊頭和隊尾的指針。

③、如果向第②步這樣移動指針，相信隊尾指針很快就移動到數(shù)據(jù)的最末端了，這時候可能移除過數(shù)據(jù)，那么隊頭會有空著的位置，然后新來了一個數(shù)據(jù)項，由于隊尾不能再向上移動了，那該怎么辦呢？如下圖：

為了避免隊列不滿卻不能插入新的數(shù)據(jù)，我們可以讓隊尾指針繞回到數(shù)組開始的位置，這也稱為“循環(huán)隊列”。

弄懂原理之后，Java實現(xiàn)代碼如下：

package com.ys.datastructure;
 
public class MyQueue {
    private Object[] queArray;
    //隊列總大小
    private int maxSize;
    //前端
    private int front;
    //后端
    private int rear;
    //隊列中元素的實際數(shù)目
    private int nItems;
     
    public MyQueue(int s){
        maxSize = s;
        queArray = new Object[maxSize];
        front = 0;
        rear = -1;
        nItems = 0;
    }
     
    //隊列中新增數(shù)據(jù)
    public void insert(int value){
        if(isFull()){
            System.out.println("隊列已滿?。?！");
        }else{
            //如果隊列尾部指向頂了，那么循環(huán)回來，執(zhí)行隊列的第一個元素
            if(rear == maxSize -1){
                rear = -1;
            }
            //隊尾指針加1，然后在隊尾指針處插入新的數(shù)據(jù)
            queArray[++rear] = value;
            nItems++;
        }
    }
     
    //移除數(shù)據(jù)
    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;
    }
     
    //查看對頭數(shù)據(jù)
    public Object peekFront(){
        return queArray[front];
    }
     
     
    //判斷隊列是否滿了
    public boolean isFull(){
        return (nItems == maxSize);
    }
     
    //判斷隊列是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return (nItems ==0);
    }
     
    //返回隊列的大小
    public int getSize(){
        return nItems;
    }
     
}

測試：

package com.ys.test;
 
import com.ys.datastructure.MyQueue;
 
public class MyQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        MyQueue queue = new MyQueue(3);
        queue.insert(1);
        queue.insert(2);
        queue.insert(3);//queArray數(shù)組數(shù)據(jù)為[1,2,3]
         
        System.out.println(queue.peekFront()); //1
        queue.remove();//queArray數(shù)組數(shù)據(jù)為[null,2,3]
        System.out.println(queue.peekFront()); //2
         
        queue.insert(4);//queArray數(shù)組數(shù)據(jù)為[4,2,3]
        queue.insert(5);//隊列已滿,queArray數(shù)組數(shù)據(jù)為[4,2,3]
    }
 
}

3、雙端隊列

雙端隊列就是一個兩端都是結(jié)尾或者開頭的隊列，隊列的每一端都可以進行插入數(shù)據(jù)項和移除數(shù)據(jù)項，這些方法可以叫做：

insertRight()、insertLeft()、removeLeft()、roveRight()

如果嚴格禁止調(diào)用insertLeft()和removeLeft()（或禁用右端操作），那么雙端隊列的功能就和前面講的棧功能一樣。

如果嚴格禁止調(diào)用insertLeft()和removeRight(或相反的另一對方法)，那么雙端隊列的功能就和單向隊列一樣了。

4、優(yōu)先級隊列

優(yōu)先級隊列（priority queue）是比棧和隊列更專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在優(yōu)先級隊列中，數(shù)據(jù)項按照關(guān)鍵字進行排序，關(guān)鍵字最小（或者最大）的數(shù)據(jù)項往往在隊列的最前面，而數(shù)據(jù)項在插入的時候都會插入到合適的位置以確保隊列的有序。

優(yōu)先級隊列 是0個或多個元素的集合，每個元素都有一個優(yōu)先權(quán)，對優(yōu)先級隊列執(zhí)行的操作有：

（1）查找

（2）插入一個新元素

（3）刪除

一般情況下，查找操作用來搜索優(yōu)先權(quán)最大的元素，刪除操作用來刪除該元素 。對于優(yōu)先權(quán)相同的元素，可按先進先出次序處理或按任意優(yōu)先權(quán)進行。

這里我們用數(shù)組實現(xiàn)優(yōu)先級隊列，這種方法插入比較慢，但是它比較簡單，適用于數(shù)據(jù)量比較小并且不是特別注重插入速度的情況。

后面我們會講解堆，用堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)優(yōu)先級隊列，可以相當快的插入數(shù)據(jù)。

數(shù)組實現(xiàn)優(yōu)先級隊列，聲明為int類型的數(shù)組，關(guān)鍵字是數(shù)組里面的元素，在插入的時候按照從大到小的順序排列，也就是越小的元素優(yōu)先級越高。

package com.ys.datastructure;
 
public class PriorityQue {
    private int maxSize;
    private int[] priQueArray;
    private int nItems;
     
    public PriorityQue(int s){
        maxSize = s;
        priQueArray = new int[maxSize];
        nItems = 0;
    }
     
    //插入數(shù)據(jù)
    public void insert(int value){
        int j;
        if(nItems == 0){
            priQueArray[nItems++] = value;
        }else{
            j = nItems -1;
            //選擇的排序方法是插入排序，按照從大到小的順序排列，越小的越在隊列的頂端
            while(j >=0 && value > priQueArray[j]){
                priQueArray[j+1] = priQueArray[j];
                j--;
            }
            priQueArray[j+1] = value;
            nItems++;
        }
    }
     
    //移除數(shù)據(jù),由于是按照大小排序的，所以移除數(shù)據(jù)我們指針向下移動
    //被移除的地方由于是int類型的，不能設(shè)置為null，這里的做法是設(shè)置為 -1
    public int remove(){
        int k = nItems -1;
        int value = priQueArray[k];
        priQueArray[k] = -1;//-1表示這個位置的數(shù)據(jù)被移除了
        nItems--;
        return value;
    }
     
    //查看優(yōu)先級最高的元素
    public int peekMin(){
        return priQueArray[nItems-1];
    }
     
    //判斷是否為空
    public boolean isEmpty(){
        return (nItems == 0);
    }
     
    //判斷是否滿了
    public boolean isFull(){
        return (nItems == maxSize);
    }
 
}

insert() 方法，先檢查隊列中是否有數(shù)據(jù)項，如果沒有，則直接插入到下標為0的單元里，否則，從數(shù)組頂部開始比較，找到比插入值小的位置進行插入，并把 nItems 加1.

remove 方法直接獲取頂部元素。

優(yōu)先級隊列的插入操作需要 O(N)的時間，而刪除操作則需要O(1) 的時間，后面會講解如何通過 堆 來改進插入時間。

5、總結(jié)

本篇博客我們介紹了隊列的三種形式，分別是單向隊列、雙向隊列以及優(yōu)先級隊列。其實大家聽名字也可以聽得出來他們之間的區(qū)別，單向隊列遵循先進先出的原則，而且一端只能插入，另一端只能刪除。雙向隊列則兩端都可插入和刪除，如果限制雙向隊列的某一段的方法，則可以達到和單向隊列同樣的功能。最后優(yōu)先級隊列，則是在插入元素的時候進行了優(yōu)先級別排序，在實際應(yīng)用中單項隊列和優(yōu)先級隊列使用的比較多。后面講解了堆這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們會用堆來實現(xiàn)優(yōu)先級隊列，改善優(yōu)先級隊列插入元素的時間。

通過前面講的棧以及本篇講的隊列這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們稍微總結(jié)一下：

①、棧、隊列（單向隊列）、優(yōu)先級隊列通常是用來簡化某些程序操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不是主要作為存儲數(shù)據(jù)的。

②、在這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，只有一個數(shù)據(jù)項可以被訪問。

③、棧允許在棧頂壓入（插入）數(shù)據(jù)，在棧頂彈出（移除）數(shù)據(jù)，但是只能訪問最后一個插入的數(shù)據(jù)項，也就是棧頂元素。

④、隊列（單向隊列）只能在隊尾插入數(shù)據(jù)，對頭刪除數(shù)據(jù)，并且只能訪問對頭的數(shù)據(jù)。而且隊列還可以實現(xiàn)循環(huán)隊列，它基于數(shù)組，數(shù)組下標可以從數(shù)組末端繞回到數(shù)組的開始位置。

⑤、優(yōu)先級隊列是有序的插入數(shù)據(jù)，并且只能訪問當前元素中優(yōu)先級別最大（或最小）的元素。

⑥、這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都能由數(shù)組實現(xiàn)，但是可以用別的機制（后面講的鏈表、堆等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）實現(xiàn)。

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!

最新評論