队列队列 - 锐客网

文章转自：https://www.cnblogs.com/ysocean/p/7921930.html#_label0
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】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：

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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：

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image 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”。

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弄懂原理之后，Java实现代码如下：

public class MyQueue { private Object[] queArray; //队列总大小 private int maxSize; //前端指针 private int front; //后端指针 private int rear; //对列中的元素的实际数目 private int nItems; /** * 初始化队列 * @param s */ publicMyQueue(int s) { maxSize=s; queArray=new Object[maxSize]; front=0; rear=-1; nItems=0; } //队列中新增元素 public void insert(int value) { if(isFull()) { System.err.println("队列已满"); }else { //如果对尾指针等于数组最后一个，放在数组第一个位置 if(rear==maxSize-1) rear=-1; //对尾指针+1，然后在对尾指针处插入新的数据 queArray[++rear]=value; //队列个数+1 nItems++; } }//移除数据,只能移除对头的数据 public Object remove() { Object removeValue = https://www.it610.com/article/null ; if(!isEmpty()) { removeValue=queArray[front]; queArray[front]=null; front++; //如果对头指针等于数组大小队列已经为空，将指针初始化 if(front==maxSize) { front=0; rear=-1; } nItems--; returnremoveValue; } 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() { //队列中的实际个数等于队列大小时判断队列已满 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; } public static void main(String[] args) { MyQueue queue = new MyQueue(3); queue.insert(1); queue.insert(2); queue.insert(3); //queArray数组数据为[1,2,3]System.out.println(queue.peekFront()); //1 queue.remove(); //queArray数组数据为[null,2,3] System.out.println(queue.peekFront()); //2queue.insert(4); //queArray数组数据为[4,2,3] queue.insert(5); //队列已满,queArray数组数据为[4,2,3] }}

3、双端队列
双端队列就是一个两端都是结尾或者开头的队列，队列的每一端都可以进行插入数据项和移除数据项，这些方法可以叫做：
insertRight()、insertLeft()、removeLeft()、removeRight()
如果严格禁止调用insertLeft()和removeLeft()（或禁用右端操作），那么双端队列的功能就和栈功能一样。
如果严格禁止调用insertLeft()和removeRight(或相反的另一对方法)，那么双端队列的功能就和单向队列一样了。
4、优先级队列
优先级队列（priority queue）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。
优先级队列是0个或多个元素的集合，每个元素都有一个优先权，对优先级队列执行的操作有：
（1）查找
（2）插入一个新元素
（3）删除
一般情况下，查找操作用来搜索优先权最大的元素，删除操作用来删除该元素。对于优先权相同的元素，可按先进先出次序处理或按任意优先权进行。
这里我们用数组实现优先级队列，这种方法插入比较慢，但是它比较简单，适用于数据量比较小并且不是特别注重插入速度的情况。
后面我们会讲解堆，用堆的数据结构来实现优先级队列，可以相当快的插入数据。
数组实现优先级队列，声明为int类型的数组，关键字是数组里面的元素，在插入的时候按照从大到小的顺序排列，也就是越小的元素优先级越高。

public class PriorityQue { //数组实际大小 private int maxSize; private int[] priQueArray; //队列中的数据个数 private int nItems; public PriorityQue(int s){ maxSize = s; priQueArray = new int[maxSize]; nItems = 0; }//插入数据 public void insert(int value) { int j; //如果队列中的个数为是0 if(nItems==0) { priQueArray[nItems++] = value; }else { j=nItems-1; //如果插入的值大于队列中最后一个 while(j>=0 && value>priQueArray[j]) { priQueArray[j+1] = priQueArray[j]; j--; } priQueArray[j+1] = value; nItems++; } } //移除数据,由于是按照大小排序的，所以移除数据我们指针向下移动 //被移除的地方由于是int类型的，不能设置为null，这里的做法是设置为 -1 public int remove(){ int k = nItems -1; int value = https://www.it610.com/article/priQueArray[k]; priQueArray[k] = -1; //-1表示这个位置的数据被移除了 nItems--; return value; }//查看优先级最高的元素 public int peekMin(){ return priQueArray[nItems-1]; }//判断是否为空 public boolean isEmpty(){ return (nItems == 0); }//判断是否满了 public boolean isFull(){ return (nItems == maxSize); }}

insert() 方法，先检查队列中是否有数据项，如果没有，则直接插入到下标为0的单元里，否则，从数组顶部开始比较，找到比插入值小的位置进行插入，并把 nItems 加1.
remove 方法直接获取顶部元素。
优先级队列的插入操作需要 O(N)的时间，而删除操作则需要O(1) 的时间，后面会讲解如何通过堆来改进插入时间。
5、总结
本篇博客我们介绍了队列的三种形式，分别是单向队列、双向队列以及优先级队列。其实大家听名字也可以听得出来他们之间的区别，单向队列遵循先进先出的原则，而且一端只能插入，另一端只能删除。双向队列则两端都可插入和删除，如果限制双向队列的某一段的方法，则可以达到和单向队列同样的功能。最后优先级队列，则是在插入元素的时候进行了优先级别排序，在实际应用中单项队列和优先级队列使用的比较多。后面讲解了堆这种数据结构，我们会用堆来实现优先级队列，改善优先级队列插入元素的时间。
通过前面讲的栈以及本篇讲的队列这两种数据结构，我们稍微总结一下：
①、栈、队列（单向队列）、优先级队列通常是用来简化某些程序操作的数据结构，而不是主要作为存储数据的。
②、在这些数据结构中，只有一个数据项可以被访问。
③、栈允许在栈顶压入（插入）数据，在栈顶弹出（移除）数据，但是只能访问最后一个插入的数据项，也就是栈顶元素。
④、队列（单向队列）只能在队尾插入数据，对头删除数据，并且只能访问对头的数据。而且队列还可以实现循环队列，它基于数组，数组下标可以从数组末端绕回到数组的开始位置。
⑤、优先级队列是有序的插入数据，并且只能访问当前元素中优先级别最大（或最小）的元素。
⑥、这些数据结构都能由数组实现，但是可以用别的机制（后面讲的链表、堆等数据结构）实现。