【数据结构】受限制的线性表——队列

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前言

上一章我们讲了一种特殊的线性表只能在表尾进行插入和删除操作,接下来我们讲一个和栈很相似的数据结构,它也是一种特殊且所限制的线性表,它是只能在表头删除操作在表尾进行插入操作。

1.队列(Queue)

1.1队列的概念

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(First In 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

2.2 队列的使用

在Java中,Queue是个接口,底层是通过链表实现的。
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注意: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。

2.3 队列模拟实现

我们这里通过链表来实现队列:
1.我们先将链表的框架搭建一下,代码如下:

public class MyQueue {
    static class ListNode {
        public int val;
        public ListNode prev;
        public ListNode next;
        public ListNode(int val) {
            this.val = val;
        }
    }
    public ListNode head;
    public ListNode last;
}

2.方法的实现:

2.1入队(offer)

//offer 入队
    public void offer(int val) {
        ListNode node = new ListNode(val);
        //1.空节点
        if(head == null) {
            head = node;
            last = node;
        } else {
            //2.不为空节点,尾插法。
            last.next = node;
            node.prev = last;
            last = node;
        }
    }

2.2 出队(poll)

   //poll 出队
    public int poll() {
        //1.判断队是否为空
        if(isEmpty()) {
            //1.1队为空,抛出队为空的异常
           throw new QueueEmptyException("队空异常!!!!");
        } else {
            //2.队中是否只有一个元素
            int val = head.val;
            if(head.next == null) {
                //2.1只有一个元素
                head = null;
                last = null;
                return val;
            } else {
                //2.2队中不只一个元素,删头节点
                head = head.next;
                head.prev = null;
                return val;
            }
        }
    }
    public boolean isEmpty() {
        return head == null;
    }

2.3 peek

//peek
    public int peek() {
        //1.判断队是否为空
        if(isEmpty()) {
            //1.1队为空,抛出队为空的异常
            throw new QueueEmptyException("队空异常!!!!");
        } else {
            //1.2队不空,直接返回队头元素
             return head.val;
        }
    }

2.4 判断队列空

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

3.我这写一个队满报异常的代码

public class QueueEmptyException extends RuntimeException{
    public QueueEmptyException() {
    }

    public QueueEmptyException(String message) {
        super(message);
    }
}

2.4 循环队列

在实现队列可以通过链表来实现,还可以通过顺序表来实现,但在用顺序表来实现的时候,我们会发现,当队中在一边出队一边入队,会出现空间浪费的情况。
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那我们怎么解决这个问题? 我们就提出将一个数组围成一个圆圈的样子,那么这么就不会把空间给浪费,像这样似的:
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这时候会出现一个问题那就是怎么去区分这个队中是满还是空,在解决这个问题之前我先分享一个很有趣的方法:关于数组下标在循环的一个小tip 下一个下标等于(此时的下标+1)%数组的长度
用公式表示:index =(rear+1)%elem.length
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我们就这个问题有三种方式去解决分别为:
1.size计数法
我们定义一个变量usedSize来记录队中的元素个数,当usedSize等于0,说明队中为空,当usedSize等于数组的长度,那么队满。
在入队的时候每入队一个元素usedSize就加1,在出队的时候usedSize就减1.
代码实现:

public class CircularQueueSize {
    public int[] elem;
    public int front;
    public int rear;
    public int usedSize;
    public CircularQueueSize() {
       elem = new int[8];
    }
    //入队
    public void offer(int val) {
        if(isFull()) {
            throw new CircularQueueSizeFullException("队满异常!!!");
        } else {
            elem[rear] = val;
            rear = (rear+1) % elem.length;
            usedSize++;
        }
    }
    //出队
    public int poll() {
        //1.判断队空不空
        if(isEmpty()) {
            //1.1队空
            throw new CircularQueueSizeEmptyException("循环队列空异常!!!");
        } else {
            //1.2队不空
            int val = elem[front];
            front = (front+1) % elem.length;
            usedSize--;
            return val;
        }
    }
    //判断队中是否空
    public boolean isEmpty() {
        return usedSize == 0;
    }
    //判断循环队列已满
    public boolean isFull() {
        return usedSize == elem.length;
    }
    //Front 获取队头元素
    public int  Front () {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elem[front];
    }
    //Rear 获取队尾元素
    public int Rear() {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        int ret = (rear == 0) ? elem.length : rear-1;
        return elem[ret];
    }
}

2.flg标志法
我们定义一个boolean类型的flg标志位,一开始为false,每入队一个元素flg就置为true,每出队一个元素flg置为false。
判断队满队空的条件
队满:队头等于队尾并且flg等于ture
队空:队头等于队尾并且flg等于false
代码实现:

public class CircularQueueFlg {
    public int[] elem;
    public int front;
    public int rear;
    public boolean flg;
    public int usedSize;
    public CircularQueueFlg() {
        elem = new int[8];
    }
    //入队
    public void offer(int val) {
        if(isFull()) {
            throw new CircularQueueSizeFullException("队满异常!!!");
        }
            elem[rear] = val;
             flg = true;
            rear = (rear+1) % elem.length;
    }
    //出队
    public int poll() {
        //1.判断队空不空
        if(isEmpty()) {
            //1.1队空
            throw new CircularQueueSizeEmptyException("循环队列空异常!!!");
        } else {
            //1.2队不空
            int val = elem[front];
            flg = false;
            front = (front+1) % elem.length;
            return val;
        }
    }
    //判断队中是否空
    public boolean isEmpty() {
        return (front == rear) && (flg == false);
    }
    //判断循环队列已满
    public boolean isFull() {
       return (front == rear) && (flg == true);
    }
    //Front 获取队头元素
    public int  Front () {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elem[front];
    }
    //Rear 获取队尾元素
    public int Rear() {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        int ret = (rear == 0) ? elem.length : rear-1;
        return elem[ret];
    }
}

3.空间牺牲法
我们牺牲一个空间来实现循环队列判断队满和队空
队满:index = 队头 index (队尾此刻的下标+1)%数组的长度
队空:队尾等于队头
代码实现:

public class CircularQueueSpace {
    public int[] elem;
    public int front;
    public int rear;
    public  CircularQueueSpace() {
        elem = new int[8];
    }
    //入队
    public void offer(int val) {
        if(isFull()) {
            throw new CircularQueueSizeFullException("队满异常!!!");
        } else {
            elem[rear] = val;
            rear = (rear+1) % elem.length;
        }
    }
    //出队
    public int poll() {
        //1.判断队空不空
        if(isEmpty()) {
            //1.1队空
            throw new CircularQueueSizeEmptyException("循环队列空异常!!!");
        } else {
            //1.2队不空
            int val = elem[front];
            front = (front+1) % elem.length;
            return val;
        }
    }
    //判断队中是否空
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }
    //判断循环队列已满
    public boolean isFull() {
        return front == (rear+1) % elem.length;
    }
    //Front 获取队头元素
    public int  Front () {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elem[front];
    }
    //Rear 获取队尾元素
    public int Rear() {
        if(isEmpty()) {
            return -1;
        }
        int ret = (rear == 0) ? elem.length-1 : rear-1;
        return elem[ret];
    }
}

3. 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 “double ended queue” 的简称。那就说明元素可以从队头出队和入队,也可以从队尾出队和入队。
【数据结构】受限制的线性表——队列,数据结构,数据结构,java,ide,后端
eque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

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