Java数据结构和算法（五）——队列
前面一篇博客我們講解了并不像數組一樣完全作為存儲數據功能，而是作為構思算法的輔助工具的數據結構——棧，本篇博客我們介紹另外一個這樣的工具——隊列。棧是后進先出，而隊列剛好相反，是先進先出。
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1、隊列的基本概念
隊列（queue）是一種特殊的線性表，特殊之處在于它只允許在表的前端（front）進行刪除操作，而在表的后端（rear）進行插入操作，和棧一樣，隊列是一種操作受限制的線性表。進行插入操作的端稱為隊尾，進行刪除操作的端稱為隊頭。隊列中沒有元素時，稱為空隊列。
隊列的數據元素又稱為隊列元素。在隊列中插入一個隊列元素稱為入隊，從隊列中刪除一個隊列元素稱為出隊。因為隊列只允許在一端插入，在另一端刪除，所以只有最早進入隊列的元素才能最先從隊列中刪除，故隊列又稱為先進先出（FIFO—first in first out）線性表。
比如我們去電影院排隊買票，第一個進入排隊序列的都是第一個買到票離開隊列的人，而最后進入排隊序列排隊的都是最后買到票的。
在比如在計算機操作系統中，有各種隊列在安靜的工作著，比如打印機在打印列隊中等待打印。
隊列分為：
①、單向隊列（Queue）：只能在一端插入數據，另一端刪除數據。
②、雙向隊列（Deque）：每一端都可以進行插入數據和刪除數據操作。
這里我們還會介紹一種隊列——優先級隊列，優先級隊列是比棧和隊列更專用的數據結構，在優先級隊列中，數據項按照關鍵字進行排序，關鍵字最小（或者最大）的數據項往往在隊列的最前面，而數據項在插入的時候都會插入到合適的位置以確保隊列的有序。
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2、Java模擬單向隊列實現
在實現之前，我們先看下面幾個問題：
①、與棧不同的是，隊列中的數據不總是從數組的0下標開始的，移除一些隊頭front的數據后，隊頭指針會指向一個較高的下標位置，如下圖：
②、我們再設計時，隊列中新增一個數據時，隊尾的指針rear 會向上移動，也就是向下標大的方向。移除數據項時，隊頭指針 front 向上移動。那么這樣設計好像和現實情況相反，比如排隊買電影票，隊頭的買完票就離開了，然后隊伍整體向前移動。在計算機中也可以在隊列中刪除一個數之后，隊列整體向前移動，但是這樣做效率很差。我們選擇的做法是移動隊頭和隊尾的指針。
③、如果向第②步這樣移動指針，相信隊尾指針很快就移動到數據的最末端了，這時候可能移除過數據，那么隊頭會有空著的位置，然后新來了一個數據項，由于隊尾不能再向上移動了，那該怎么辦呢？如下圖：
為了避免隊列不滿卻不能插入新的數據，我們可以讓隊尾指針繞回到數組開始的位置，這也稱為“循環隊列”。
弄懂原理之后，Java實現代碼如下：
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測試：
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 | package?com.ys.test; ? import?com.ys.datastructure.MyQueue; ? public?class?MyQueueTest { ????public?static?void?main(String[] args) { ????????MyQueue queue =?new?MyQueue(3); ????????queue.insert(1); ????????queue.insert(2); ????????queue.insert(3);//queArray數組數據為[1,2,3] ????????? ????????System.out.println(queue.peekFront());?//1 ????????queue.remove();//queArray數組數據為[null,2,3] ????????System.out.println(queue.peekFront());?//2 ????????? ????????queue.insert(4);//queArray數組數據為[4,2,3] ????????queue.insert(5);//隊列已滿,queArray數組數據為[4,2,3] ????} ? } |
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3、雙端隊列
雙端隊列就是一個兩端都是結尾或者開頭的隊列，?隊列的每一端都可以進行插入數據項和移除數據項，這些方法可以叫做：
insertRight()、insertLeft()、removeLeft()、removeRight()
如果嚴格禁止調用insertLeft()和removeLeft()（或禁用右端操作），那么雙端隊列的功能就和前面講的棧功能一樣。
如果嚴格禁止調用insertLeft()和removeRight(或相反的另一對方法)，那么雙端隊列的功能就和單向隊列一樣了。
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4、優先級隊列
? 優先級隊列（priority queue）是比棧和隊列更專用的數據結構，在優先級隊列中，數據項按照關鍵字進行排序，關鍵字最小（或者最大）的數據項往往在隊列的最前面，而數據項在插入的時候都會插入到合適的位置以確保隊列的有序。
優先級隊列 是0個或多個元素的集合，每個元素都有一個優先權，對優先級隊列執行的操作有：
（1）查找
（2）插入一個新元素
（3）刪除
一般情況下，查找操作用來搜索優先權最大的元素，刪除操作用來刪除該元素 。對于優先權相同的元素，可按先進先出次序處理或按任意優先權進行。
這里我們用數組實現優先級隊列，這種方法插入比較慢，但是它比較簡單，適用于數據量比較小并且不是特別注重插入速度的情況。
后面我們會講解堆，用堆的數據結構來實現優先級隊列，可以相當快的插入數據。
數組實現優先級隊列，聲明為int類型的數組，關鍵字是數組里面的元素，在插入的時候按照從大到小的順序排列，也就是越小的元素優先級越高。
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insert() 方法，先檢查隊列中是否有數據項，如果沒有，則直接插入到下標為0的單元里，否則，從數組頂部開始比較，找到比插入值小的位置進行插入，并把 nItems 加1.
remove 方法直接獲取頂部元素。
優先級隊列的插入操作需要 O(N)的時間，而刪除操作則需要O(1) 的時間，后面會講解如何通過 堆 來改進插入時間。
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5、總結
本篇博客我們介紹了隊列的三種形式，分別是單向隊列、雙向隊列以及優先級隊列。其實大家聽名字也可以聽得出來他們之間的區別，單向隊列遵循先進先出的原則，而且一端只能插入，另一端只能刪除。雙向隊列則兩端都可插入和刪除，如果限制雙向隊列的某一段的方法，則可以達到和單向隊列同樣的功能。最后優先級隊列，則是在插入元素的時候進行了優先級別排序，在實際應用中單項隊列和優先級隊列使用的比較多。后面講解了堆這種數據結構，我們會用堆來實現優先級隊列，改善優先級隊列插入元素的時間。
通過前面講的棧以及本篇講的隊列這兩種數據結構，我們稍微總結一下：
①、棧、隊列（單向隊列）、優先級隊列通常是用來簡化某些程序操作的數據結構，而不是主要作為存儲數據的。
②、在這些數據結構中，只有一個數據項可以被訪問。
③、棧允許在棧頂壓入（插入）數據，在棧頂彈出（移除）數據，但是只能訪問最后一個插入的數據項，也就是棧頂元素。
④、隊列（單向隊列）只能在隊尾插入數據，對頭刪除數據，并且只能訪問對頭的數據。而且隊列還可以實現循環隊列，它基于數組，數組下標可以從數組末端繞回到數組的開始位置。
⑤、優先級隊列是有序的插入數據，并且只能訪問當前元素中優先級別最大（或最小）的元素。
⑥、這些數據結構都能由數組實現，但是可以用別的機制（后面講的鏈表、堆等數據結構）實現。
作者：YSOcean
出處：http://www.cnblogs.com/ysocean/
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Java数据结构和算法（五）——队列的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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