【Java 数据结构】队列与OJ题

末蓝、 2024-04-01 10:19 84阅读 0赞

![b4e6ca8983a34017be11d504193bfa0e.png][] 篮球哥温馨提示：编程的同时不要忘记锻炼哦！

## 我是作者，亦是读者。 ##

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**目录**

1、什么是队列？

2、初识Queue

2.1 认识一下Queue

2.2 简单使用下Queue

3、模拟实现Queue

3.1 构造方法和成员属性

3.2 offer 方法

3.3 poll 方法

3.4 peek 方法

4、队列相关的OJ题

4.1 设计循环队列 (来源:LeetCode 难度:中等)

4.2 用队列实现栈 (来源:LeetCode 难度:简单)

4.3 用栈实现队列 (来源:LeetCode 难度:简单)

4.4 最小栈 (来源:LeetCode 难度:中等)

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## **1、什么是队列？** ##

![4e7450f5a87843d196aba066b300d9bb.png][]

> **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！
> 
> **出队列：**进行删除操作的一 端称为队头！
> 
> 队列也可以数组和链表的结构实现，使用链表的结构实现更优一些，因为如果使用数组的结构， 出队列在数组头上出数据，效率会比较低。

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## **2、初识Queue** ##

### 2.1 认识一下Queue ###

![321d5b448ddf4d23a37dba495b4e51d3.png][]

如图可见，Queue本质上是一个接口，被Deque(双端队列)继承，被LinkedList实现，所以Queue底层是通过链表来实现的，而Queue是不能实例化对象的， 所以我们想使用队列，则需要new一个LinkedeList对象，实现向上转型，这样就可以使用Queue中的方法了：

![303cc07c33804047b1291cb4102b9b7b.png][]add 和 offer 都是入队列，这两个区别是当使用add时，一些队列有大小限制，如果想在一个满的队列中加入新的元素时，调用 add() 方法就会抛出一个 unchecked 异常，而调用 offer() 方法会返回 false。因此就可以在程序中进行有效的判断！

### 2.2 简单使用下Queue ###

public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer(1);
        queue.offer(2);
        queue.offer(3);
        System.out.println(queue.peek()); //获取对头元素 -> 1
        System.out.println(queue.poll()); //出队头元素 -> 1
        System.out.println(queue.peek()); //获取对头元素 -> 2
        System.out.println(queue.isEmpty()); //判断队列是否为null -> false
        queue.clear(); //清空队列
        System.out.println(queue.isEmpty()); //判断队列是否为null -> true
    }

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## **3、模拟实现Queue** ##

### 3.1 构造方法和成员属性 ###

public class MyQueue {
    
        private class Node {
            private int val; //数据域
            private Node next; //指针域名
    
            private Node(int val) {
                this.val = val;
            }
        }
        //队头入，队尾出
        private Node head; //队头引用
        private Node last; //队尾引用
        private int size; //队列有效数据个数
    }

### 3.2 offer 方法 ###

// 队尾入队列
    public boolean offer(int val) {
        Node newNode = new Node(val);
        // 如果是第一次入队列
        if (this.head == null) {
            this.head = newNode;
            this.last = newNode;
        } else {
            this.last.next = newNode;
            this.last = this.last.next;
        }
        this.size++;
        return true;
    }

### 3.3 poll 方法 ###

// 队头出队列
    public int poll() {
        Node node = this.head;
        // 如果队列为null
        if (this.head == null) {
            throw new MyQueueIsEmptyException("队列为空！");
        } else {
            this.head = this.head.next;
        }
        this.size--;
        return node.val;
    }

### 3.4 peek 方法 ###

// 取队头元素
    public int peek() {
        // 如果队列为null
        if (this.head == null) {
            throw new MyQueueIsEmptyException("队列为空！");
        } else {
            return this.head.val;
        }
    }

至于size和empty方法，就交给各位小伙伴实现了，由于有了前面链表的基础，队列实现起来是比较简单的，所以更多希望阅读文章的初学者能下来多自己手写以下，画画图。

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## **4、队列相关的OJ题** ##

### 4.1 设计循环队列 (来源:LeetCode 难度:中等) ###

> **题目：**设计你的循环队列实现。 循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。
> 
> 循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。
> 
> 你的实现应该支持如下操作：
> 
> **MyCircularQueue(k):** 构造器，设置队列长度为 k 。  
> **Front:** 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。  
> **Rear:** 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。  
> **enQueue(value):** 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。  
> **deQueue():** 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。  
> **isEmpty():** 检查循环队列是否为空。  
> **isFull():** 检查循环队列是否已满。

**解题思路：**对于这道题来说，我们有很多种解题思路，但我们要注意一点，如何区分队列为空和队列满的情况？这里可以添加size属性记录，也可使用标记，也可也空一个位置出来区分，那么今天我们就空一个位置，那么如何区分队列空和队列满呢？见下图：

![50752a1af79044b5b9f8efd0260c693d.png][]

对于循环队列的实现我们采用的时数组方案，有front和rear分别存储队头下标和队尾元素的后一个下标。至于更多需要注意细节的地方，比如修正front和rear的位置时，在代码中有对应的注释，查看即可：

public class MyCircularQueue {
    
        private int array[]; //存放数据的数组
        private int front; // 队头下标
        private int rear; // 队尾下标
    
        public MyCircularQueue(int k) {
            this.array = new int[k + 1]; //因为我们要浪费一个空间，所以需要多开辟一个空间
        }
    
        // 入队列
        public boolean enQueue(int value) {
            // 如果队列满的情况
            if (isFull()) {
                return false;
            }
            // 没有满就往队尾入元素
            this.array[this.rear] = value;
            // rear往前走一步，需要空出一个位置，所以当rear走到length-1时，需要修正下rear
            this.rear = (this.rear + 1) % this.array.length;
            return true;
        }
    
        // 出队列
        public boolean deQueue() {
            // 如果队列为null的情况
            if (isEmpty()) {
                return false;
            }
            // 从队头出队列，需要修正队头的位置
            this.front = (this.front + 1) % this.array.length;
            return true;
        }
        
        // 取队头元素
        public int Front() {
            // 如果队列为null的情况
            if (isEmpty()) {
                return -1;
            }
            return this.array[this.front]; //返回队头元素
        }
    
        // 取队尾元素
        public int Rear() {
            // 如果队列为null的情况
            if (isEmpty()) {
                return -1;
            }
            // 如果rear为0的情况，我们需要特殊处理
            int index = this.rear == 0 ? this.array.length - 1 : this.rear - 1;
            return this.array[index]; //返回队尾元素
        }
    
        // 判断队列是否为空
        public boolean isEmpty() {
            // 当front和rear相遇了，则表示队列中没有元素
            return this.front == this.rear;
        }
    
        // 判断队列是否满了
        public boolean isFull() {
            // 因为我们会浪费一个空间，所以rear+1等于front就满了
            // 但是我们要rear防止越界，所以要进行修正：(this.rear + 1) % this.array.length
            return (this.rear + 1) % this.array.length == this.front;
        }
    }

### 4.2 用队列实现栈 (来源:LeetCode 难度:简单) ###

> **题目：**请你仅使用两个队列实现一个后入先出（LIFO）的栈，并支持普通栈的全部四种操作（push、top、pop 和 empty）。
> 
> 实现 MyStack 类：
> 
> **void push(int x)** 将元素 x 压入栈顶。  
> **int pop()** 移除并返回栈顶元素。  
> **int top()** 返回栈顶元素。  
> **boolean empty()** 如果栈是空的，返回 true ；否则，返回 false 。

**解题思路：**这道题的解题思路并不难，我们只需要定义两个队列，入栈的时候往不为null的队列入，出栈的时候先将不为空的队列的size()-1个元素全部放到为空的队列中，剩余最后一个元素直接出栈即可，由于取栈顶元素不用删除元素，所以剩余的最后一个元素还要放入另一个队列中，至于更详细的内容可以配合下面代码和注释阅读：

class MyStack {
        private Queue<Integer> qu1;
        private Queue<Integer> qu2;
    
        public MyStack() {
            this.qu1 = new LinkedList<>();
            this.qu2 = new LinkedList<>();
        }
        
        public void push(int x) {
            // 两个队列都为null的情况
            if (this.qu1.isEmpty() && this.qu2.isEmpty()) {
                this.qu1.offer(x);
                return;
            }
    
            // 哪个队列不为null往哪个队列中入元素
            if (!this.qu1.isEmpty()) {
                this.qu1.offer(x);
            } else {
                this.qu2.offer(x);
            }
        }
        
        public int pop() {
            // 如果两个队列都为空的情况下，就不能出队操作
            if (empty()) {
                return -1;
            }
            // 先将不为空的队列的size-1个元素全部放到为空的队列中
            if (!this.qu1.isEmpty()) {
                while (qu1.size() - 1 != 0) {
                    qu2.offer(qu1.poll());
                }
                return qu1.poll(); //返回最后一个元素
            } else {
                while (qu2.size() - 1 != 0) {
                    qu1.offer(qu2.poll());
                }
                return qu2.poll(); //返回最后一个元素
            }
        }
        
        public int top() {
            // 如果队列为null
            if (empty()) {
                return -1;
            }
            int ret = 0; //保留剩余最后一个栈顶元素的变量
            // 先将不为空的队列的size-1个元素全部放到为空的队列中
            if (!this.qu1.isEmpty()) {
                while (qu1.size() - 1 != 0) {
                    qu2.offer(qu1.poll());
                }
                ret = qu1.peek();
                qu2.offer(qu1.poll());
            } else {
                while (qu2.size() - 1 != 0) {
                    qu1.offer(qu2.poll());
                }
                ret = qu2.peek();
                qu1.offer(qu2.poll()); //取栈顶元素不能删除掉，还得入另一个队列中去
            }
            return ret;
        }
        
        public boolean empty() {
            return this.qu1.isEmpty() && this.qu2.isEmpty(); //两个队列都为空，栈才为空
        }
    }

### 4.3 用栈实现队列 (来源:LeetCode 难度:简单) ###

> **题目：**请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作（push、pop、peek、empty）。
> 
> 实现 MyQueue 类：
> 
> **void push(int x)** 将元素 x 推到队列的末尾  
> **int pop()** 从队列的开头移除并返回元素  
> **int peek()** 返回队列开头的元素  
> **boolean empty()** 如果队列为空，返回 true ；否则，返回 false

**解题思路：**这道题我们可以这样做，定义两个栈，分别是pushStack和popStack，入队统一都入到pushStack栈中，出队头元素都从popStack中出，如果popStack是空的情况，就先将pushStack栈中所有的元素放入popStack中，再出栈顶元素。 至于判断队列是否为空，需要满足 pushStack和popStack都为空，队列才为空！

class MyQueue {
        private Stack<Integer> pushStack;
        private Stack<Integer> popStack;
        public MyQueue() {
            this.pushStack = new Stack<>();
            this.popStack = new Stack<>();
        }
        
        public void push(int x) {
            // 入队列都在pushStack中
            this.pushStack.push(x);
        }
        
        public int pop() {
            // 出队列都从popStack出
            if (popStack.empty()) {
                // 把pushStack栈中的元素都放到popStack栈中
                while (!pushStack.empty()) {
                    popStack.push(pushStack.pop());
                }
            }
            if (!popStack.empty()) {
                return popStack.pop();
            } else {
                return -1;
            }
        }
        
        public int peek() {
            // 取队头元素都从popStack中取
            if (popStack.empty()) {
                // 把pushStack栈中的元素都放到popStack栈中
                while (!pushStack.empty()) {
                    popStack.push(pushStack.pop());
                }
            }
            if (!popStack.empty()) {
                return popStack.peek();
            } else {
                return -1;
            }
        }
        
        public boolean empty() {
            return pushStack.empty() && popStack.empty();
        }
    }

### 4.4 最小栈 (来源:LeetCode 难度:中等) ###

> **题目：**设计一个支持 push ，pop ，top 操作，并能在常数时间内检索到最小元素的栈。
> 
> 实现 MinStack 类:
> 
> **MinStack()** 初始化堆栈对象。  
> **void push(int val)** 将元素val推入堆栈。  
> **void pop()** 删除堆栈顶部的元素。  
> **int top()** 获取堆栈顶部的元素。  
> **int getMin()** 获取堆栈中的最小元素。

**解题思路：**这道题一看就需要用到两个栈，一个栈入数据，一个栈始终压入最小值，如何操作呢？这里我们可以定义两个栈，分别是stack和minStack，入栈的时候入stack这个栈，如果是第一次入栈，则当前入栈元素为最小值，同时也需要入minStack栈中，如果后续入栈元素小于或等于minStack栈顶元素，则也需要入minStack栈，如果比minStack栈顶元素大，则不需要入minStack栈了，出栈的时候，判断stack栈如果与minStack栈元素相等，则minStack也要出栈顶元素！

![33643bbb56d146a0b24f9abcbefbe72a.png][]

public class MinStack {
        private Stack<Integer> stack;
        private Stack<Integer> minStack;
        public MinStack() {
            this.stack = new Stack<>();
            this.minStack = new Stack<>();
        }
        
        public void push(int val) {
            // 如果stack为null，表示第一次入栈，
            // 此时入栈的元素也是此时栈中最小值，也要入minStack栈
            if (this.stack.isEmpty()) {
                this.stack.push(val);
                this.minStack.push(val);
                return;
            }
            this.stack.push(val);
            // 如果stack栈顶元素小于等于minStack栈顶元素，则也需要入minStack栈中
            if (this.stack.peek() <= this.minStack.peek()) {
                this.minStack.push(val);
            }
        }
    
        // 出栈
        public void pop() {
            if (this.stack.isEmpty()) {
                return;
            }
            // 如果出栈元素与minStack元素相等，minStack也要出栈
            if (this.stack.pop().equals(this.minStack.peek())) {
                this.minStack.pop();
            }
        }
    
        // 取栈顶元素
        public int top() {
            if (this.stack.isEmpty()) {
                return -1;
            } else {
                return this.stack.peek();
            }
        }
    
        // 取栈中最小元素
        public int getMin() {
            if (this.stack.isEmpty()) {
                return -1;
            } else {
                return this.minStack.peek();
            }
        }
    }

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**下期预告：【Java 数据结构】二叉树**

[b4e6ca8983a34017be11d504193bfa0e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/1bc56bbf74014ad0b4f95dec05062a63.png
[4e7450f5a87843d196aba066b300d9bb.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/f2c737dfa5db4a05ad51667cdae360e8.png
[321d5b448ddf4d23a37dba495b4e51d3.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/e2f85d9694724069a98daf6fd5d9a7f3.png
[303cc07c33804047b1291cb4102b9b7b.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/52e2e89bc48241338f5c6b41c19c75c1.png
[50752a1af79044b5b9f8efd0260c693d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/91341dc95a9d4a7c957d4d60fbe6036a.png
[33643bbb56d146a0b24f9abcbefbe72a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/93b9cbabaeac47f58b2c107974f1f1b3.png