数据结构-队列

数据结构-队列

队列（queue）在计算机科学中，是一种先进先出的线性表。

它只允许在表的前端进行删除操作，而在表的后端进行插入操作。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。

基于自定义数组实现的队列

新建queue接口，用来规范所有queue子类

package com.datastructure.queue;
import java.awt.*;
/**
 * @program: test
 * @description:
 * @author: Mr.Yang
 * @create: 2019-05-03 16:44
 **/
public class LoopQueue implements Queue {
 private E[] data;
 //指向队列的第一个元素，初始指向0
 private int front;
 //指向队列的最后一个元素的后一个位置，初始指向0
 private int tail;
 private int size;
 public LoopQueue(int capacity){
 data = (E[]) new Object[capacity+1];
 front=0; 

 tail=0;
 size=0;
 }
 public LoopQueue(){
 this(10);
 }
 /**
 * 因为容量放的时候多了个1，所以get容量的时候，需要减1
 * @return
 */
 public int getCapacity(){
 return data.length-1;
 }
 /**
 * 1.if((tail + 1) % data.length == front) 如果tail + 1 超过了data.length的大小，
 * 代表当前tail指向已经超出了容量的大小，因为是循环式，所以需要tail去循环头元素中查看值是否有被占用，
 * 如果 == front 代表循环头没有，就需要扩容了。
 * 2.举例： 元素容量为8，tail目前指向7 front 指向2
 * if((7 + 1) % 8 == 2 ) if(0 == 2) 这里是false，因为front指向了2，所以代表 第0,1位是没有值的
 * 所以这个值需要在在第0位放(空间利用)
 * 3.data[tail] = param tail当前指向的地方需要赋值，然后tail自增 循环体 的1，size+1
 * @param param
 */
 @Override
 public void enqueue(E param) {
 if((tail + 1) % data.length == front){
 resize(getCapacity() * 2);
 }
 data[tail] = param ;
 tail = (tail + 1) % data.length;
 size ++ ;
 }
 /**
 * 扩充队列的容量 

 * 1.front代表了当前元素初始位置的指向
 * 2.newData的第i位元素，应该等于 i + front % data.length 的值
 * 3.举例：元素容量20，i 等于 0 ，front 等于 2，结果： newData[0] = data[(0 + 2) % 20]
 * = data[2] 意思就是，newData的第一位元素，应该等于data有值的第一位元素
 * % data.length 的原因主要是为了防止数组越界错误
 * 4.新数组赋值完成需要将 front 重新指向0，因为新数组的front指针是从0开始的。
 * tail最后要指向等于size大小的值，
 * @param newCapacity
 */
 private void resize(int newCapacity) {
 E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity + 1];
 for(int i = 0 ; i < size ; i++){
 newData[i] = data[(i + front ) % data.length];
 }
 data=newData;
 front = 0 ;
 tail = size;
 }
 /**
 * 1.如果队列为空抛出异常
 * 2.用ret变量来接受当前队列头的值
 * 3.接收成功之后将，队列头元素置空
 * 4.front指针指向下一个元素
 * 5.size大小-1
 * 6.如果size大小占据了容量的1/4和size为容量的1/2且不等于0的时候，对容量进行缩减，缩减为原来容量的1/2
 * 7.返回ret变量
 * @return
 */
 @Override 

 public E dequeue() {
 if(isEmpty()){
 throw new IllegalArgumentException("dequeue is fail ,because queue is empty");
 }
 E ret = data[front];
 data[front] = null;
 front = (front + 1) % data.length;
 size -- ;
 if(size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0 ){
 resize(getCapacity() / 2 );
 }
 return ret;
 }
 @Override
 public E getFront() {
 if(isEmpty()){
 throw new IllegalArgumentException("queue is empty");
 }
 return data[front];
 }
 @Override
 public int getSize() {
 return size;
 }
 /**
 * 当front和tail的值相等时，队列为空，初始两个指向的是同一个值（只有初始的时候，指向的是同一个地方）
 * @return
 */
 @Override
 public boolean isEmpty() {
 return front == tail;
 }
 /**
 * 1.元素从 front位置开始循环遍历，i的值不能等于tail，
 * 也就是到tail的前一位，i = i + 1 且%data.length，
 * 因为i有可能从循环头重新开始
 * 2.( i + 1 ) % data.length != tail 如果当前i + 1 % data.length
 * 不等于tail表示不到最后一个元素，就拼接，
 * @return
 */ 

 @Override
 public String toString(){
 StringBuffer sb = new StringBuffer();
 sb.append(String.format("Array: size = %d , capacity = %d\\n", size, getCapacity()));
 sb.append("front [");
 for (int i = front; i != tail ; i = (i + 1) % data.length) {
 sb.append(data[i]);
 if (( i + 1 ) % data.length != tail) {
 sb.append(", ");
 }
 }
 sb.append("] tail");
 return sb.toString();
 }
}

新建ArrayQueue实现类

package com.datastructure.queue;
import com.datastructure.array.Array;
/**
 * @program: test
 * @description:
 * @author: Mr.Yang
 * @create: 2019-05-03 18:19
 **/
public class ArrayQueue implements Queue{
 Array array;
 public ArrayQueue(int capacity){
 array=new Array(capacity);
 }
 public ArrayQueue(){
 array=new Array();
 }
 @Override
 public void enqueue(E param) {
 array.addLast(param);
 }
 @Override
 public E dequeue() { 

 return array.removeFirst();
 }
 @Override
 public E getFront() {
 return array.getFirst();
 }
 @Override
 public int getSize() {
 return array.getSize();
 }
 @Override
 public boolean isEmpty() {
 return array.isEmpty();
 }
 @Override
 public String toString(){
 StringBuffer sb = new StringBuffer();
 sb.append("front: ");
 sb.append("[");
 for(int i=0;i<array.getsize> sb.append(array.get(i));
 if(i!=array.getSize()-1){
 sb.append(", ");
 }
 }
 sb.append("] tail");
 return sb.toString();
 }
}
/<array.getsize>

测试类

package com.datastructure.queue;
/**
 * @program: test
 * @description:
 * @author: Mr.Yang
 * @create: 2019-05-03 18:26
 **/
public class QueueTest {
 public static void main(String[] args) {
 ArrayQueue<integer> integerArrayQueue = new ArrayQueue<>();
 for (int i = 0; i < 10; i++) { 

 integerArrayQueue.enqueue(i);
 System.out.println(integerArrayQueue);
 if(i % 3 == 2){
 integerArrayQueue.dequeue();
 System.out.println(integerArrayQueue);
 }
 }
 }
}
/<integer>

测试结果

front: [0] tail
front: [0, 1] tail
front: [0, 1, 2] tail
front: [1, 2] tail
front: [1, 2, 3] tail
front: [1, 2, 3, 4] tail
front: [1, 2, 3, 4, 5] tail
front: [2, 3, 4, 5] tail
front: [2, 3, 4, 5, 6] tail
front: [2, 3, 4, 5, 6, 7] tail
front: [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] tail
front: [3, 4, 5, 6, 7, 8] tail
front: [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] tail

可以看到测试结果是正确的，也符合队列结构的数据存取，但是因为是基于自定义数组来实现的，所以会调用数组方法的removeFirst方法，删除第一个元素的同时，会重新将后面所有元素前移，索引前移，均摊时间复杂度为O(n)。

循环队列

循环队列中有两个新词，两个指针

• front 指向队列的第一个元素，初始指向0
• tail 指向队列的最后一个元素的后一个位置，初始指向0

什么是循环队列

建立一个loopqueue实现queue接口

package com.datastructure.queue;
import java.awt.*;
/**
 * @program: test
 * @description:
 * @author: Mr.Yang
 * @create: 2019-05-03 16:44
 **/
public class LoopQueue implements Queue {
 private E[] data;
 //指向队列的第一个元素，初始指向0
 private int front;
 //指向队列的最后一个元素的后一个位置，初始指向0
 private int tail;
 private int size;
 public LoopQueue(int capacity){
 data = (E[]) new Object[capacity+1];
 front=0;
 tail=0;
 size=0;
 }
 public LoopQueue(){
 this(10);
 }
 /**
 * 因为容量放的时候多了个1，所以get容量的时候，需要减1
 * @return
 */
 public int getCapacity(){
 return data.length-1; 

 }
 /**
 * 1.if((tail + 1) % data.length == front) 如果tail + 1 超过了data.length的大小，
 * 代表当前tail指向已经超出了容量的大小，因为是循环式，所以需要tail去循环头元素中查看值是否有被占用，
 * 如果 == front 代表循环头没有，就需要扩容了。
 * 2.举例： 元素容量为8，tail目前指向7 front 指向2
 * if((7 + 1) % 8 == 2 ) if(0 == 2) 这里是false，因为front指向了2，所以代表 第0,1位是没有值的
 * 所以这个值需要在在第0位放(空间利用)
 * 3.data[tail] = param tail当前指向的地方需要赋值，然后tail自增 循环体 的1，size+1
 * @param param
 */
 @Override
 public void enqueue(E param) {
 if((tail + 1) % data.length == front){
 resize(getCapacity() * 2);
 }
 data[tail] = param ;
 tail = (tail + 1) % data.length;
 size ++ ;
 }
 /**
 * 扩充队列的容量
 * 1.front代表了当前元素初始位置的指向
 * 2.newData的第i位元素，应该等于 i + front % data.length 的值
 * 3.举例：元素容量20，i 等于 0 ，front 等于 2，结果： newData[0] = data[(0 + 2) % 20]
 * = data[2] 意思就是，newData的第一位元素，应该等于data有值的第一位元素
 * % data.length 的原因主要是为了防止数组越界错误 

 * 4.新数组赋值完成需要将 front 重新指向0，因为新数组的front指针是从0开始的。
 * tail最后要指向等于size大小的值，
 * @param newCapacity
 */
 private void resize(int newCapacity) {
 E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity + 1];
 for(int i = 0 ; i < size ; i++){
 newData[i] = data[(i + front ) % data.length];
 }
 data=newData;
 front = 0 ;
 tail = size;
 }
 /**
 * 1.如果队列为空抛出异常
 * 2.用ret变量来接受当前队列头的值
 * 3.接收成功之后将，队列头元素置空
 * 4.front指针指向下一个元素
 * 5.size大小-1
 * 6.如果size大小占据了容量的1/4和size为容量的1/2且不等于0的时候，对容量进行缩减，缩减为原来容量的1/2
 * 7.返回ret变量
 * @return
 */
 @Override
 public E dequeue() {
 if(isEmpty()){
 throw new IllegalArgumentException("dequeue is fail ,because queue is empty");
 }
 E ret = data[front];
 data[front] = null;
 front = (front + 1) % data.length;
 size -- ;
 if(size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0 ){
 resize(getCapacity() / 2 );
 }
 return ret;
 } 

 @Override
 public E getFront() {
 if(isEmpty()){
 throw new IllegalArgumentException("queue is empty");
 }
 return data[front];
 }
 @Override
 public int getSize() {
 return size;
 }
 /**
 * 当front和tail的值相等时，队列为空，初始两个指向的是同一个值（只有初始的时候，指向的是同一个地方）
 * @return
 */
 @Override
 public boolean isEmpty() {
 return front == tail;
 }
 /**
 * 1.元素从 front位置开始循环遍历，i的值不能等于tail，
 * 也就是到tail的前一位，i = i + 1 且%data.length，
 * 因为i有可能从循环头重新开始
 * 2.( i + 1 ) % data.length != tail 如果当前i + 1 % data.length
 * 不等于tail表示不到最后一个元素，就拼接，
 * @return
 */
 @Override
 public String toString(){
 StringBuffer sb = new StringBuffer();
 sb.append(String.format("Array: size = %d , capacity = %d\\n", size, getCapacity()));
 sb.append("front [");
 for (int i = front; i != tail ; i = (i + 1) % data.length) {
 sb.append(data[i]);
 if (( i + 1 ) % data.length != tail) {
 sb.append(", ");
 }
 }
 sb.append("] tail");
 return sb.toString(); 

 }
}

测试代码

package com.datastructure.queue;
/**
 * @program: test
 * @description:
 * @author: Mr.Yang
 * @create: 2019-05-03 18:26
 **/
public class QueueTest {
 public static void main(String[] args) {
 LoopQueue<integer> integerArrayQueue = new LoopQueue<>();
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 integerArrayQueue.enqueue(i);
 System.out.println(integerArrayQueue);
 if(i % 3 == 2){
 integerArrayQueue.dequeue();
 System.out.println(integerArrayQueue);
 }
 }
 }
}
/<integer>

测试结果

Array: size = 1 , capacity = 10
front [0] tail
Array: size = 2 , capacity = 10
front [0, 1] tail
Array: size = 3 , capacity = 10
front [0, 1, 2] tail
Array: size = 2 , capacity = 5
front [1, 2] tail
Array: size = 3 , capacity = 5
front [1, 2, 3] tail
Array: size = 4 , capacity = 5
front [1, 2, 3, 4] tail
Array: size = 5 , capacity = 5
front [1, 2, 3, 4, 5] tail
Array: size = 4 , capacity = 5
front [2, 3, 4, 5] tail
Array: size = 5 , capacity = 5
front [2, 3, 4, 5, 6] tail 

Array: size = 6 , capacity = 10
front [2, 3, 4, 5, 6, 7] tail
Array: size = 7 , capacity = 10
front [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] tail
Array: size = 6 , capacity = 10
front [3, 4, 5, 6, 7, 8] tail
Array: size = 7 , capacity = 10
front [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] tail

打印结果跟自定义数组的结果是一样的，但是因为引用了指针这个概念，删除的时候索引不会重排，均摊时间复杂度为O(1)