Java 数据结构之队列(Queue)详解

傷城~ 2024-04-07 14:58 75阅读 0赞

**目录**

1、在Java中有哪些常见的队列？

2、Queue 接口分析

3、Deque 接口分析

4、PriorityQueue 的实现原理详解

5、使用Java数组实现队列的简单示例

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#### 1、在Java中有哪些常见的队列？ ####

在Java中，有一些常见的队列实现。下面是其中一些的列举：//队列也是一种线性的数据结构

1.  **ArrayList：**ArrayList可以被用作队列，通过在列表末尾添加元素，并使用`remove(0)`方法从列表的开头删除元素。但是，由于在列表的开头删除元素会导致后续元素的移动，因此对于大量的插入和删除操作来说，ArrayList的性能可能不是最佳选择。
2.  **LinkedList：**LinkedList也可以用作队列。LinkedList实现了`Queue`接口，可以使用`offer()`方法在队列的末尾添加元素，使用`poll()`方法从队列的开头删除并返回元素。LinkedList对于插入和删除操作具有较好的性能，因为它使用了指针来链接元素，而不需要移动其他元素。
3.  **ArrayBlockingQueue：**ArrayBlockingQueue是一个有界阻塞队列，底层使用数组实现。它有一个固定的容量，并且在插入或删除元素时可能会阻塞线程，直到满足特定的条件。
4.  **LinkedBlockingQueue：**LinkedBlockingQueue是一个可选有界或无界的阻塞队列，底层使用链表实现。它具有类似于ArrayBlockingQueue的功能，但在内部实现上略有不同。
5.  **PriorityBlockingQueue：**PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。元素按照它们的优先级顺序被插入和删除。
6.  **ConcurrentLinkedQueue：**ConcurrentLinkedQueue是一个非阻塞无界队列，它适用于多线程环境。它使用链表实现，并且提供了高效的并发操作。

以上是Java中的一些常见队列实现。具体选择哪种队列取决于你的需求和使用场景。

#### 2、Queue 接口分析 ####

Queue接口是Java集合框架中定义的一个接口，它代表了一个先进先出（FIFO）的队列。Queue接口继承自Collection接口，它定义了一组方法来操作队列中的元素。下面是Queue接口的一些主要方法和特性的详细解释：

**（1）添加元素：**

1.  boolean add(E element): 将指定的元素添加到队列的末尾，如果成功则返回true，如果队列已满则抛出异常。
2.  boolean offer(E element): 将指定的元素添加到队列的末尾，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。

**（2）移除元素：**

1.  E remove(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空则抛出异常。
2.  E poll(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空则返回null。

**（3）获取头部元素：**

1.  E element(): 获取队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
2.  E peek(): 获取队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。

**（4）队列大小：**

1.  int size(): 返回队列中的元素个数。
2.  boolean isEmpty(): 判断队列是否为空。

Queue接口还有一些其他方法，如clear()用于清空队列中的所有元素，contains(Object o)用于判断队列是否包含指定元素等。

Queue接口的常见实现类包括LinkedList、ArrayDeque和PriorityQueue等。LinkedList实现了Queue接口，并且还可以作为栈使用，它是一个双向链表。ArrayDeque是一个双端队列，它同时实现了Queue和Deque接口。PriorityQueue是一个基于优先级的队列，它允许元素按照优先级顺序被插入和删除。

通过使用Queue接口，我们可以方便地进行队列操作，如入队、出队、查看队列头部元素等。它在处理任务调度、消息传递等场景中非常有用。

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**Java Queue接口使用示例：**

当使用Java中的Queue接口时，我们需要选择具体的实现类来创建一个队列对象。下面是一个使用Queue接口的示例，以LinkedList实现类为例：

import java.util.Queue;
    import java.util.LinkedList;
    
    public class QueueExample {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建一个Queue对象
            Queue<String> queue = new LinkedList<>();
    
            // 添加元素到队列
            queue.add("Apple");
            queue.add("Banana");
            queue.add("Orange");
    
            // 获取队列头部元素
            String head = queue.peek();
            System.out.println("头部元素：" + head);
    
            // 遍历队列并输出元素
            System.out.println("队列元素：");
            for (String element : queue) {
                System.out.println(element);
            }
    
            // 移除队列头部元素
            String removedElement = queue.remove();
            System.out.println("移除的元素：" + removedElement);
    
            // 队列大小
            int size = queue.size();
            System.out.println("队列大小：" + size);
    
            // 判断队列是否为空
            boolean isEmpty = queue.isEmpty();
            System.out.println("队列是否为空：" + isEmpty);
        }
    }

在这个示例中，我们使用LinkedList作为实现类创建了一个Queue对象。我们向队列中添加了三个元素："Apple"，"Banana"和"Orange"。然后，我们使用peek()方法获取队列的头部元素，并使用for-each循环遍历队列并输出每个元素。

接下来，我们使用remove()方法移除队列的头部元素，并使用size()方法获取队列的大小。最后，我们使用isEmpty()方法判断队列是否为空。

#### 3、Deque 接口分析 ####

Deque接口是Java集合框架中定义的一个接口，它代表了一个双端队列（Double Ended Queue）。Deque是"双端队列"的缩写。Deque接口继承自Queue接口，并在其基础上提供了在队列两端进行添加、删除和检索元素的操作。Deque可以在队列的头部和尾部同时进行元素的插入和删除，因此可以作为队列、栈或双向队列使用。

Deque接口定义了以下主要方法和特性：

**（1）添加元素：**

1.  void addFirst(E element): 将指定元素添加到双端队列的头部。
2.  void addLast(E element): 将指定元素添加到双端队列的尾部。
3.  boolean offerFirst(E element): 将指定元素添加到双端队列的头部，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。
4.  boolean offerLast(E element): 将指定元素添加到双端队列的尾部，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。

**（2）移除元素：**

1.  E removeFirst(): 移除并返回双端队列的头部元素，如果队列为空则抛出异常。
2.  E removeLast(): 移除并返回双端队列的尾部元素，如果队列为空则抛出异常。
3.  E pollFirst(): 移除并返回双端队列的头部元素，如果队列为空则返回null。
4.  E pollLast(): 移除并返回双端队列的尾部元素，如果队列为空则返回null。

**（3）获取头部和尾部元素：**

1.  E getFirst(): 获取双端队列的头部元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
2.  E getLast(): 获取双端队列的尾部元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
3.  E peekFirst(): 获取双端队列的头部元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。
4.  E peekLast(): 获取双端队列的尾部元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。

Deque接口还提供了一些其他方法，如size()用于返回双端队列中的元素个数，isEmpty()用于判断双端队列是否为空，clear()用于清空双端队列中的所有元素等。

Deque接口的常见实现类包括ArrayDeque和LinkedList。ArrayDeque是一个基于数组实现的双端队列，支持高效的随机访问和动态扩展。LinkedList是一个基于链表实现的双端队列，支持高效的插入和删除操作。

通过使用Deque接口，我们可以方便地进行双端队列操作，如在队列的头部和尾部插入和删除元素，获取头部和尾部元素，以及判断队列是否为空。Deque在许多场景下都很有用，比如实现LRU缓存、实现任务调度等。

另外，需要注意的是，Deque接口还可以用作栈（LIFO）的数据结构。通过在队列头部执行插入和删除操作，可以实现栈的功能。常见的栈操作可以使用Deque接口中的以下方法来实现：

1.  void push(E element): 将元素推入栈顶，等同于addFirst(E element)。
2.  E pop(): 弹出并返回栈顶元素，等同于removeFirst()。
3.  E peek(): 获取栈顶元素，等同于peekFirst()。

所以，Deque接口是一个非常有用的接口，提供了双端队列的功能，既可以在队列的头部进行操作，也可以在尾部进行操作。它是Queue接口的扩展，可以方便地实现队列、栈和双向队列的功能，并提供了丰富的方法来操作和访问队列中的元素。

**Java Deque 接口使用示例**

当使用Java中的Deque接口时，我们同样需要选择具体的实现类来创建一个双端队列对象。下面是一个使用Deque接口的示例，以ArrayDeque实现类为例：

import java.util.Deque;
    import java.util.ArrayDeque;
    
    public class DequeExample {
        public static void main(String[] args) {
            // 创建一个Deque对象
            Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();
    
            // 添加元素到双端队列
            deque.addFirst("Apple");
            deque.addLast("Banana");
            deque.addLast("Orange");
    
            // 获取双端队列头部和尾部元素
            String first = deque.getFirst();
            String last = deque.getLast();
            System.out.println("头部元素：" + first);
            System.out.println("尾部元素：" + last);
    
            // 遍历双端队列并输出元素
            System.out.println("双端队列元素（从头到尾）：");
            for (String element : deque) {
                System.out.println(element);
            }
    
            // 移除双端队列头部和尾部元素
            String removedFirst = deque.removeFirst();
            String removedLast = deque.removeLast();
            System.out.println("移除的头部元素：" + removedFirst);
            System.out.println("移除的尾部元素：" + removedLast);
    
            // 双端队列大小
            int size = deque.size();
            System.out.println("双端队列大小：" + size);
    
            // 判断双端队列是否为空
            boolean isEmpty = deque.isEmpty();
            System.out.println("双端队列是否为空：" + isEmpty);
        }
    }

在这个示例中，我们使用ArrayDeque作为实现类创建了一个Deque对象。我们向双端队列中添加了三个元素："Apple"、"Banana"和"Orange"。然后，我们使用getFirst()和getLast()方法分别获取双端队列的头部和尾部元素，并使用for-each循环遍历双端队列并输出每个元素。

接下来，我们使用removeFirst()和removeLast()方法移除双端队列的头部和尾部元素，并使用size()方法获取双端队列的大小。最后，我们使用isEmpty()方法判断双端队列是否为空。

#### 4、PriorityQueue 的实现原理详解 ####

PriorityQueue的实现原理是基于二叉堆（Binary Heap），它是一种特殊的**完全二叉树结构**，具有以下性质：

*  **最小堆性质：**在最小堆中，每个节点的值都小于或等于其子节点的值。也就是说，堆的根节点是最小的元素。

PriorityQueue使用一个数组来存储元素，并通过二叉堆的形式来组织这些元素。数组中的元素按照特定的顺序排列，满足最小堆的性质。在数组中，根节点位于索引0处，而对于任意位置i的节点，它的左子节点位于索引2i+1处，右子节点位于索引2i+2处。

当元素被添加到PriorityQueue时，它会被放置在数组的末尾，并按照以下步骤进行调整，以维护最小堆的性质：

*  **上滤（Up-Heap）操作**：新插入的元素会与其父节点进行比较。如果新插入的元素的优先级比父节点的优先级低（或者更大），则它会与父节点进行交换，直到满足最小堆的性质。

当从PriorityQueue中删除元素时，队列头部的元素被移除，并将数组的最后一个元素移动到头部位置。然后，这个元素会与其子节点进行比较，以保持最小堆的性质。

*  **下滤（Down-Heap）操作：**被移动到头部位置的元素会与其子节点进行比较。如果它的优先级比其中一个或两个子节点的优先级高（或者更小），则它会与较小的子节点进行交换。这个过程会递归地向下进行，直到满足最小堆的性质。

通过上述的上滤和下滤操作，PriorityQueue可以保持最小堆的性质，使得具有最高优先级的元素总是位于队列的头部。

PriorityQueue的插入和删除操作的时间复杂度都是O(logN)，其中N是队列中的元素个数。这是因为这些操作涉及到堆的调整，需要按照树的高度来进行操作。同时，PriorityQueue还支持高效的查找具有最高优先级的元素，时间复杂度为O(1)。

需要注意的是，PriorityQueue允许元素具有相同的优先级，但它们的顺序不一定是确定的。在这种情况下，PriorityQueue的行为是不保证的，具有相同优先级的元素可能会以任意顺序被取出。

优先队列(PriorityQueue)的使用示例：

public static void main(String[] args) {
            //默认采用的是最小堆实现的
            PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(10, new Comparator<Integer>() {
                public int compare(Integer a, Integer b) {
                    return a - b; //if a>b 则交换，so这是递增序列
                }
            });
            queue.offer(13);
            queue.offer(9);
            int len = queue.size();
            for (int i = 0; i < len; i++) {
                System.out.println(queue.poll());
            }
            //输出 9  13
            //默认采用的是最小堆实现的
            PriorityQueue<Integer> queue2 = new PriorityQueue<>(10);
            queue2.offer(11);
            queue2.offer(9);
            len = queue2.size();
            for (int i = 0; i < len; i++) {
                System.out.println(queue2.poll());
            }
            //输出 9， 11
        }

#### 5、使用Java数组实现队列的简单示例 ####

下面是使用Java数组实现队列的简单示例代码：

public class ArrayQueue {
        private int[] queue;  // 内部数组
        private int front;    // 队列头部指针
        private int rear;     // 队列尾部指针
        private int size;     // 队列当前元素个数
        private int capacity; // 队列容量
    
        public ArrayQueue(int capacity) {
            this.capacity = capacity;
            queue = new int[capacity];
            front = 0;
            rear = -1;
            size = 0;
        }
    
        public boolean isEmpty() {
            return size == 0;
        }
    
        public boolean isFull() {
            return size == capacity;
        }
    
        public int size() {
            return size;
        }
    
        public void enqueue(int item) {
            if (isFull()) {
                System.out.println("Queue is full. Cannot enqueue.");
                return;
            }
            rear = (rear + 1) % capacity; // 循环队列，计算新的尾部位置
            queue[rear] = item;
            size++;
            System.out.println("Enqueued: " + item);
        }
    
        public int dequeue() {
            if (isEmpty()) {
                System.out.println("Queue is empty. Cannot dequeue.");
                return -1;
            }
            int item = queue[front];
            front = (front + 1) % capacity; // 循环队列，计算新的头部位置
            size--;
            System.out.println("Dequeued: " + item);
            return item;
        }
    
        public int peek() {
            if (isEmpty()) {
                System.out.println("Queue is empty.");
                return -1;
            }
            return queue[front];
        }
    
        public void display() {
            if (isEmpty()) {
                System.out.println("Queue is empty.");
                return;
            }
            System.out.print("Queue: ");
            int index = front;
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                System.out.print(queue[index] + " ");
                index = (index + 1) % capacity; // 循环遍历队列
            }
            System.out.println();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            ArrayQueue queue = new ArrayQueue(5);
            queue.enqueue(10);
            queue.enqueue(20);
            queue.enqueue(30);
            queue.display(); // Queue: 10 20 30
            queue.dequeue();
            queue.display(); // Queue: 20 30
            queue.enqueue(40);
            queue.enqueue(50);
            queue.display(); // Queue: 20 30 40 50
            queue.dequeue();
            queue.dequeue();
            queue.display(); // Queue: 40 50
        }
    }

以上示例演示了使用Java数组实现的简单队列（循环队列）。通过enqueue()方法将元素入队，dequeue()方法将元素出队，peek()方法返回队列头部元素，size()方法返回队列当前元素个数，isEmpty()方法和isFull()方法检查队列是否为空或已满。display()方法用于打印队列中的元素。

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上述循环队列实现的具体步骤总结如下：

**（1）入队操作（enqueue）：**

1.  首先，检查队列是否已满（isFull()方法）。如果已满，则无法入队，并输出相应的提示信息。
2.  否则，计算新的尾部位置（rear = (rear + 1) % capacity），并将新元素存储到该位置。
3.  增加队列的元素个数（size++）。
4.  输出入队的元素信息。

**（2）出队操作（dequeue）：**

1.  首先，检查队列是否为空（isEmpty()方法）。如果为空，则无法出队，并输出相应的提示信息。
2.  否则，获取头部元素（queue\[front\]）并保存到临时变量中。
3.  计算新的头部位置（front = (front + 1) % capacity）。
4.  减少队列的元素个数（size--）。
5.  输出出队的元素信息，并返回该元素的值。

**（3）查看头部元素（peek）：**

1.  首先，检查队列是否为空（isEmpty()方法）。如果为空，则输出相应的提示信息并返回特定的值（如-1）。
2.  否则，返回头部元素（queue\[front\]）的值。

**（4）判断队列是否为空（isEmpty）：**

*  根据队列的元素个数（size）是否为0来判断队列是否为空。

**（5）判断队列是否已满（isFull）：**

*  根据队列的元素个数（size）是否等于队列的容量（capacity）来判断队列是否已满。

**（6）遍历打印队列中的元素（display）：**

1.  首先，检查队列是否为空（isEmpty()方法）。如果为空，则输出相应的提示信息。
2.  否则，从头部位置（front）开始循环遍历队列中的元素，依次输出每个元素。
3.  注意使用循环变量（index）进行索引，并通过取余运算实现循环遍历。

这样，通过以上实现，我们可以使用Java数组来创建一个简单的队列，并进行入队、出队、查看头部元素以及遍历打印等操作。这种基于数组的实现方式可以满足队列的基本需求，并且具有较好的性能。但需要注意的是，由于数组的容量是固定的，当队列已满时，无法再添加新的元素，除非进行元素的出队操作。

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