队列——也是一种操作受限的线性表数据结构

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#队列 #数据结构 #链表 #java #queue

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本文深入探讨了队列数据结构的原理与应用，包括先进先出(FIFO)特性，以及循环队列、阻塞队列和并发队列的实现。通过具体示例，如Java实现的顺序队列和循环队列，解析了队列在资源有限场景中的关键作用。

队列

先进先出，后进后出
和栈的入栈push、出栈pop类似，队列提供入队enqueue、出队dequeue两种操作，也是一种操作受限的线性表数据结构
常用：循环队列、阻塞队列、并发队列
基于数组：顺序队列
基于链表：链式队列

顺序队列

//java实现一个顺序队列
public class ArrayQueue{
	private String[] items;
	//数组大小
	private int n = 0;
	
	private int head = 0;
	private int tail = 0;
	//构造
	public ArrayQueue(int capacity){
		this.items = new String[capacity];
		this.n = capacity;
	}
	
	//入队enqueue
	public boolean enqueue(String item){
		if(tail==n){
			//队列满
			return false;
		}else{
			items[tail] = item;
			++tail;
			return true;
		}
		
	}
	//出队dequeue
	public String dequeue(){
		if(head==tail){
			//队列空
			return null;
		}else{
			String res = items[head];
			++head;
			return res;
		}
	}
	
}

和栈不同的是，栈只有一个栈顶指针，出入都在栈顶。
而队列需要头指针head和尾指针tail，head用于出队，tail用于入队。
问题：
tail已经移到队列最尾部，head经过几次出队在数组中间，此时队列的数组前面还是空的，但却无法做入队操作？
**答：**参考数组删除元素，数据搬移问题的解决办法，通过标记出队的元素，当队尾没有空间但队头有空间，一次性清楚被标记的元素，并做数据搬移。
修改入队enqueue()方法：

public boolean enqueue(String item){
	if(tail==n){
		//队尾没有空间
		if(head==0){
			//队头没有空间
			return false;
		}else{
			//队头有空间
			//数据搬移
			for(int i=head;i<tail;++i){
				items[i-head] = items[i];
			}
			tail = tail-head;
			head = 0;
			
		}
		
	}
}

出队: O(1)
入队: 最好O(1),最坏O(n),均摊O(1)

循环队列

当队尾没有空间时，队头还有空间，tail指向下标0。
例如：队列容量n为9，某时tail指向8，当有元素入队将元素放在下标8的位置，tail此时不指向9，而时指向0；
假如此时head=0，tail也即将指向0，那么此时队列在入队操作后就满了；

问题关键在于怎样确定队空和队满？
非循环队列：队空 head=tail ，队满 tail=n
循环队列：队空 head=tail，队满 (tail+1)%n=head

//顺序循环队列
public class CircularQueue {
  // 数组：items，数组大小：n
  private String[] items;
  private int n = 0;
  // head表示队头下标，tail表示队尾下标
  private int head = 0;
  private int tail = 0;

  // 申请一个大小为capacity的数组
  public CircularQueue(int capacity) {
    items = new String[capacity];
    n = capacity;
  }

  // 入队
  public boolean enqueue(String item) {
    // 队列满了
    if ((tail + 1) % n == head) return false;
    items[tail] = item;
    tail = (tail + 1) % n;
    return true;
  }

  // 出队
  public String dequeue() {
    // 如果head == tail 表示队列为空
    if (head == tail) return null;
    String ret = items[head];
    head = (head + 1) % n;
    return ret;
  }
}