【数据结构】队列-Queue

⭐ 作者：小胡_不糊涂
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1.什么是队列

队列： 只允许在一端进行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作的特殊线性表，队列具有先进先出FIFO(FirstIn First Out) 入队列：进行插入操作的一端称为队尾（Tail/Rear）出队列：进行删除操作的一端称为队头（Head/Front）

2. 队列的使用

在Java中，Queue是个接口，底层是通过链表实现的：

方法	功能
boolean offer(E e)	入队列
E poll()	出队列
peek()	获取队头元素
int size()	获取队列中有效元素个数
boolean isEmpty()	检测队列是否为空

Queue是个接口，在实例化时必须实例化LinkedList的对象，因为LinkedList实现了Queue接口。

上述方法的实现：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
public class Main {
    //方法的实现
    public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
        q.offer(1);
        q.offer(2);
        q.offer(3);
        q.offer(4);
        q.offer(5); // 从队尾入队列
        System.out.println(q.size());
        System.out.println(q.peek()); // 获取队头元素
        q.poll();
        System.out.println(q.poll()); // 从队头出队列，并将删除的元素返回
        if(q.isEmpty()){
            System.out.println("队列空");
        }else{
            System.out.println(q.size());
        }
    }
}

3. 队列的模拟实现

我们知道队列中既然可以存储元素，那底层肯定要有能够保存元素的空间，通过线性表可以了解到常见的空间类型有两种：顺序结构和链式结构。

模拟实现队列：

public class MyQueue {
    //双向链表节点
    static class ListNode {
        public int val;
        public ListNode next;
        public ListNode prev;

        public ListNode(int val) {
            this.val = val;
        }
    }

    public ListNode head;//队头
    public ListNode last;//队尾
    public int usedSize;//队列元素个数

    // 入队列---向双向链表位置插入新节点
    public boolean offer(int val) {
        ListNode node = new ListNode(val);
        if(head == null) {
            head = node;
            last = node;
        }else {
            last.next = node;
            node.prev = last;
            last = last.next;
        }
        usedSize++;
        return true;
    }

    // 出队列---将双向链表第一个节点删除掉
    // 1. 队列为空
    // 2. 队列中只有一个元素----链表中只有一个节点---直接删除
    // 3. 队列中有多个元素---链表中有多个节点----将第一个节点删除
    public int poll() {
        if(head == null) {
            return -1;
        }
        int retVal = head.val;
        if(head.next == null) {
            head = null;
            last = null;
            return retVal;
        }
        head = head.next;
        head.prev = null;//第一个节点删除
        usedSize--;
        return retVal;
    }

    // 获取队头元素---获取链表中第一个节点的值域
    public int peek() {
        if(head == null) {
            return -1;
        }
        return head.val;
    }

    public boolean empty() {
        return head == null;
    }

    public int size() {
        return usedSize;

4. 循环队列

循环队列顾名思义就是首位相连的队列，自然界中的生产者消费者分解者模型可以使用循环队列来描述。而环形队列通常使用数组实现。

数组下标循环的小技巧

1. 下标最后再往后(offset 小于 array.length): index = (index + offset) % array.length
   
2. 下标最前再往前(offset 小于 array.length): index = (index + array.length - offset) %array.length
   

如何区分空与满？

1. 通过添加 size 属性记录
2. 保留一个位置
3. 使用标记
   

循环队列的实现：

class MyCircularQueue {
    public int[] elem;
    public int front;//队头
    public int rear;//队尾
    
    public MyCircularQueue(int k) {
        elem = new int[k+1];
    }

    //队尾入队
    public boolean enQueue(int value) {
        if(isFull()) {
            return false;
        }
        elem[rear] = value;
        rear = (rear+1) % elem.length;
        return true;
    }
    
    //队头出队
    public boolean deQueue() {
        if(isEmpty()) {
            return false;
        }
        front = (front+1) % elem.length;
        return true;
    }
    //得到队头元素
    public int Front() {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elem[front];
    }
    //得到队尾元素
    public int Rear() {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        int index = (rear == 0) ? elem.length-1 : rear-1;
        return elem[index];
    }

    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    public boolean isFull() {
        return (rear+1)%elem.length == front;
    }
}

5. 双端队列(Deque)

**双端队列（deque）**是指允许两端都可以进行入队和出队操作的队列。
Deque是一个接口，使用时必须创建LinkedList的对象:

在实际工程中，使用Deque接口是比较多的，栈和队列均可以使用该接口:

Deque<Integer> stack = new ArrayDeque<>();//双端队列的线性实现
Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();//双端队列的链式实现