数据结构--队列的实现（采用数组方式）

队列概述

队列是一种先进先出的线性表（first in first out，简称FIFO）。它只允许在队列的一段插入数据，另一端取出数据。允许插入数据的一端叫做队尾（rear），允许删除的一段则称为队头（front）。

队列无论在实际生活中还是在开发中都是非常常见的。比如我们去银行办理业务的排号系统就是队列。消息中间件也是队列的思想。

队列ADT

下面给出队列的抽象定义，在后文中我们将以此ADT开发队列的实现。

/**
 * @author jaune
 * @since 1.0.0
 */
public interface Queue<E> {

    /**
     * 查看队列中的第一个元素，仅仅查看元素，不从队列中取出。
     * @return 队列中的第一个元素
     * @throws NoSuchElementException 队列为空时抛出
     */
    E peek();

    /**
     * 向队列中添加元素，元素添加到队尾。
     */
    void push(E e);

    /**
     * 从队列中取出第一个元素。
     * @return 队列中的第一个元素。
     * @throws NoSuchElementException 队列为空时抛出
     */
    E pop();

    /**
     * 清空队列并
     */
    void clear();

    /**
     * 队列中元素的数量，如果队列为空，则返回0
     *
     * @return 队列中元素的数量
     */
    int size();

    /**
     * 判断队列是否为空
     * @return true-空，false-非空
     */
    boolean isEmpty();

    /**
     * 判断队列是已满
     * @return true-已满，false-未满
     */
    boolean isFull();
}

使用数组实现的基本思想

定义两个指针，一个指向队头（front），一个指向队尾(rear)。

当从队列中取出元素时，front指针后移；当向队列中添加元素时rear指针后移。

当队头和队尾在同一个位置时，队列为空。

采用数组的方式实现队列的最大问题就是，当front和rear指针全部指向队列的尾部时，队列失效了。无法添加新的元素至队列中。当添加元素时因为指针指向队尾，所以出现队列已满的情况。在后面我将介绍如何处理这种情况。在本文中对这种情况不做处理。

代码实现

package com.codestd.study.queue;

import java.util.NoSuchElementException;

/**
 * 数组队列的实现
 *
 * @author jaune
 * @since 1.0.0
 */
public class ArrayQueue<T> implements Queue<T> {

    final int maxSize;
    final T[] queueArray;
    private int front = -1;
    private int rear = -1;

    public ArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        this.queueArray = (T[]) new Object[maxSize];
    }

    @Override
    public T peek() {
        if (this.isEmpty()) {
            throw new NoSuchElementException("队列为空");
        }
        return this.queueArray[this.front + 1];
    }

    @Override
    public void push(T t) {
        if (this.isFull()) {
            throw new RuntimeException("队列已满，无法添加新的元素。");
        }
        this.queueArray[++this.rear] = t;
    }

    @Override
    public T pop() {
        if (this.isEmpty()) {
            throw new NoSuchElementException("队列为空");
        }
        T element = this.queueArray[++this.front];
        this.queueArray[this.front] = null;
        return element;
    }

    @Override
    public int size() {
        return this.rear - this.front;
    }

    /**
     * 清空队列，并重置队头和队尾指针。
     */
    @Override
    public void clear() {
        for (int i = (this.front + 1); i <= this.rear; i++) {
            this.queueArray[i] = null;
        }
        this.front = -1;
        this.rear = -1;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return this.rear == this.front;
    }

    @Override
    public boolean isFull() {
        return this.rear + 1 == this.maxSize;
    }
}

测试代码

package com.codestd.study.queue;

import org.junit.Test;

import static org.assertj.core.api.Assertions.*;

/**
 * Test for {@link ArrayQueue}
 */
public class ArrayQueueTest {

    @Test
    public void test() {
        Queue<Integer> queue = new ArrayQueue<>(3);
        assertThat(queue.isEmpty()).isTrue();
        assertThat(queue.isFull()).isFalse();

        queue.push(1);
        assertThat(queue.isEmpty()).isFalse();
        assertThat(queue.peek()).isEqualTo(1);
        assertThat(queue.size()).isEqualTo(1);

        int el = queue.pop();
        assertThat(queue.isEmpty()).isTrue();
        assertThat(el).isEqualTo(1);

        queue.push(2);
        queue.push(3);
        assertThat(queue.isEmpty()).isFalse();
        assertThat(queue.isFull()).isTrue();
        assertThat(queue.size()).isEqualTo(2);

        el = queue.pop();
        assertThat(el).isEqualTo(2);

        el = queue.pop();
        assertThat(el).isEqualTo(3);

        assertThat(queue.isFull()).isTrue();
        assertThat(queue.isEmpty()).isTrue();

        queue.clear();
        assertThat(queue.isEmpty()).isTrue();
        assertThat(queue.isFull()).isFalse();

        queue.push(1);
        queue.clear();
        assertThat(queue.isEmpty()).isTrue();
        assertThat(queue.isFull()).isFalse();
    }
}

总结

前文中已经提到这种方式存在严重的问题，这是一个一次性的队列。在队列满了之后，就无法再往队列中插入数据了，哪怕数组中有空位置。要解决这个问题就需要用到环形数组。这部分的实现原理在下一篇文章中将。