队列(Queue)

队列是一种先进先出的线性数据结构。

队列的主要操作的是入队和出队,需要从一端进入,从另外一端出去。

  • Queue接口定义

    public interface Queue<E> {
        int getSize();
        boolean isEmpty();
        void enqueue(E e);  //入队
        E dequeue();        //出队
        E getFront();       //获取队首元素
    }
    
  • 队列可以使用数组实现,也可以使用链表实现

    //使用数组实现
    public ArrayQueue<E> implements Queue<E> {
        
        private Array<E> array;
        public ArrayQueue(int capacity) {
            array = new Array<>(capacity);
        }
        public ArrayQueue() {
            array = new Array<>();
        }
        
        public int getSize() {
            return array.getSize();
        }
        
        public boolean isEmpty() {
            return array.isEmpty();
        }
        
        public void enqueue(E e) {
            array.addLast(e);
        }
        
        public E dequeue() {
            return array.removeFirst();
        }
        
        public E getFront() {
            return array.getFirst();
        }
        
    }
    
    //使用链表实现
    public class LinkedListQueue<E> implements Queue<E> {
    
        //定义链表的节点
        private class Node {
            private E e;
            private Node next;
    
            public Node(E e, Node next) {
                this.e = e;
                this.next = next;
            }
            public Node(E e) {
                this(e, null);
            }
            @Override
            public String toString() {
                return e.toString();
            }
        }
    
        private Node head, tail;
        private int size = 0;
    
        public LinkedListQueue() {
            head = null;
            tail = null;
            size = 0;
        }
    
        @Override
        public int getSize() {
            return size;
        }
    
        @Override
        public boolean isEmpty() {
            return size == 0;
        }
    
        @Override
        public void enqueue(E e) {
            //由于没有设置dummyHead,当链表为空就需要单独处理
            if(tail == null) {
                tail = new Node(e);
                head = tail;
            } else {
                tail.next = new Node(e);
                tail = tail.next;
            }
            size ++;
        }
    
        @Override
        public E dequeue() {
            if(isEmpty()){
                throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue.");
            }
            Node retNode = head;
            //head指针后移
            head = head.next;
            retNode.next = null;
            if(head == null) {
                tail = null;
            }
            size --;
            return retNode.e;
        }
    
        @Override
        public E getFront() {
            if(isEmpty()){
                throw new IllegalArgumentException("Empty Queue.");
            }
            return head.e;
        }
    
        @Override
    public String toString() {
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("Queue: (front)");
    
        Node curr = head;
        while(curr != null) {
            if(curr.next != null) {
                res.append(curr + "->");
            }else{
                res.append(curr + "(tail) -> ");
            }
            curr = curr.next;
        }
        res.append("null");
        return res.toString();
    }
    }
    
  • 循环队列

    正是因为循环队列在元素出队操作的优化(数组队列的出队操作,需要将剩余元素全部前移),才使得循环队列的复杂度大大降低。

    public class LoopQueue<E> implements Queue<E> {
    
        private E[] data;
        private int front, tail;
        private int size;
    
        public LoopQueue(int capacity) {
            //容量+1,是因为我们要故意浪费一个空间
            data = (E[]) new Object[capacity + 1];
            front = 0;
            tail = 0;
            size = 0;
        }
    
        public LoopQueue() {
            this(10);
        }
    
        @Override
        public int getSize() {
            return size;
        }
    
        public int getCapacity() {
            return data.length-1;
        }
    
        @Override
        public boolean isEmpty() {
            return front == size;
        }
    
        @Override
        public void enqueue(E e) {
            //判断是否堆满
            if( (tail+1)%data.length == front) {
                resize(getCapacity() * 2);
            }
    
            //元素入队
            data[tail] = e;
            //tail循环后移
            tail = (tail+1)%data.length;
            size ++;
        }
    
        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;
        }
    
        @Override
        public E dequeue() {
            //队列是否为空
            if(isEmpty()) {
                throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue.");
            }
    
            E ret = data[front];
            data[front] = null;
            front = (front+1)%data.length;
            size --;
    
            //动态缩容
            if(size == getCapacity() / 4 && getCapacity() /2 != 0) {
                resize(getCapacity() / 2);
            }
    
            return ret;
        }
    
        @Override
        public E getFront() {
            //队列是否为空
            if(isEmpty()) {
                throw new IllegalArgumentException("Queue is empty.");
            }
            return data[front];
        }
    
        @Override
        public String toString() {
            StringBuilder res = new StringBuilder();
            res.append(String.format("LoopQueue:size = %d, capacity = %d\n", size, getCapacity()));
            res.append("front-> [");
            for (int i = front; i != tail ; i = (i+1)%data.length) {
                res.append(data[i]);
                if((i+1)%data.length != tail) {
                    res.append(", ");
                }
            }
            res.append("] <-tail\n");
            return res.toString();
        }
    }
    
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