Queue——队列
⭐️前言⭐️
本篇文章介绍与栈比较相像的另一种线性数据结构——队列（Queue），它与栈的数据操作不同。
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内容导读
- Queue——队列
-
- 1.概念
- 2.队列的使用
- 3.队列模拟实现
- 4.循环队列
- 5.双端队列（Deque）
- 5.经典面试题
Queue——队列
1.概念
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，队列具有先进先出的特性。
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
2.队列的使用
注意：在Java中，Queue是个接口，所以在实例化时必须实例化LinkedList的对象，因为LinkedList实现了Queue接口
| 方法 | 功能 |
|---|---|
| boolean offer(E e) | 入队列 |
| E poll() | 出队列 |
| peek() | 获取队头元素 |
| int size() | 获取队列中有效元素个数 |
| boolean isEmpty() | 检测队列是否为空 |
代码实例：
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());//1
System.out.println(queue.poll());//1
System.out.println(queue.peek());//2
}
3.队列模拟实现
队列中既然可以存储元素，那底层必须要有能够保存元素的空间，通过前边线性表的的学习我们了解到常见的空间类型有两种：顺序结构和链式结构，而我们队列的实现，如果使用顺序结构，插入数据的时间复杂度为O(1)，删除数据的时间复杂度为O（N）（删除头数据需要数组后边的数据整体前移）,说明并不能很高效的完成删除操作，所以我们用链式结构来存储。但当我们如果考虑用链式结构来存储时，有两种情况：
- 头插尾删：头插入队列的时间复杂度为O(1)，尾删出队列的时间复杂度为O(N).
- 尾插头删：尾插入队列的时间复杂度为O(N),头删出队列的时间复杂度为O(1).
由上边的两种情况我们也可以看出，即使是链式存储也并不能高效的完成任务，但如果我们加一个last引用指向尾节点，再以尾插入队列，头删出队列的方式其时间复杂度将都会成为O(1).
public class MyQueue {
static class Node {
public int val;
public Node next;
public Node(int val) {
this.val = val;
}
}
public Node head;//队列的头
public Node tail;//队列的尾
/**
* 入队操作
* @param val
*/
public void offer(int val) {
Node node=new Node(val);
if(head==null) {
head=node;
tail=node;
}else {
tail.next=node;
tail=tail.next;
}
}
/**
* 出队操作
*/
public int poll() {
if(head==null)
throw new RuntimeException("队列为空！");
int val= head.val;;
if(head.next==null)
head=tail=null;
else
head=head.next;
return val;
}
/**
* 查看队头元素
*/
public int peek() {
if(head==null) {
throw new RuntimeException("队列为空！");
}
return head.val;
}
}
4.循环队列
循环队列通常使用数组实现。
如上图所示，front代表队列头，rear代表队列尾的前一个位置（用于判断当前位置是否可以成为新队尾），当front==rear时队列为空。
为了实现数组下标的循环，在后移的时候使用取余的方式，例如rear需要后移一步，则rear=(rear+1)%len,len为数组的长度。
如果队列满了，就成为下图的情况：
此时front又和rear相等了，我们判断队列满有两种方式，一种是使用usedSize属性记录添入元素个数，当usedSize == length时队列满。另一种方式是浪费最后一个格子，如下图，当（rear+1）%len == front时，就判断为满不再添加元素了。
我们来做一道力扣练习题来更好的了解循环队列。
【622. 设计循环队列】
题意：
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。
示例：
MyCircularQueue circularQueue = new MyCircularQueue(3); // 设置长度为 3
circularQueue.enQueue(1); // 返回 true
circularQueue.enQueue(2); // 返回 true
circularQueue.enQueue(3); // 返回 true
circularQueue.enQueue(4); // 返回 false，队列已满
circularQueue.Rear(); // 返回 3
circularQueue.isFull(); // 返回 true
circularQueue.deQueue(); // 返回 true
circularQueue.enQueue(4); // 返回 true
circularQueue.Rear(); // 返回 4
代码：
方法一：利用usedSize记录有效数据个数
class MyCircularQueue {
int []array;//存储数组
int front;//队列头
int rear;//队列尾的前一个位置
int usedSize;//记录有效数据个数
public MyCircularQueue(int k) {
array=new int[k];
front=0;
rear=0;
usedSize=0;
}
public boolean enQueue(int value) {
if(isFull())
return false;
else {
array[rear]=value;
usedSize++;
rear=(rear+1)%array.length;
return true;
}
}
public boolean deQueue() {
if(isEmpty())
return false;
else {
//删除队列头直接让头后移一个位置并让usedSize--即可，当在有新的数据插入到此位置时会把原来的数据覆盖
front=(front+1)%array.length;
usedSize--;
return true;
}
}
public int Front() {
if(isEmpty())
return -1;
else {
return array[front];
}
}
public int Rear() {
if(isEmpty())
return -1;
else {
//特殊情况：0下边的前一个位置时数组的最后一个位置
int index=rear-1;
if(rear==0)
index=array.length-1;
return array[index];
}
}
public boolean isEmpty() {
return usedSize==0;
}
public boolean isFull() {
return usedSize==array.length;
}
}
/**
* Your MyCircularQueue object will be instantiated and called as such:
* MyCircularQueue obj = new MyCircularQueue(k);
* boolean param_1 = obj.enQueue(value);
* boolean param_2 = obj.deQueue();
* int param_3 = obj.Front();
* int param_4 = obj.Rear();
* boolean param_5 = obj.isEmpty();
* boolean param_6 = obj.isFull();
*/
方法二：浪费一个位置来判满
class MyCircularQueue {
int []array;
int front;
int rear;
public MyCircularQueue(int k) {
array=new int[k+1];
front=0;
rear=0;
}
public boolean enQueue(int value) {
if(isFull())
return false;
else {
array[rear]=value;
rear=(rear+1)%array.length;
return true;
}
}
public boolean deQueue() {
if(isEmpty())
return false;
else {
front=(front+1)%array.length;
return true;
}
}
public int Front() {
if(isEmpty())
return -1;
else {
return array[front];
}
}
public int Rear() {
if(isEmpty())
return -1;
else {
int index=rear-1;
if(rear==0)
index=array.length-1;
return array[index];
}
}
public boolean isEmpty() {
return rear==front;
}
public boolean isFull() {
return (rear+1)%array.length==front;
}
}
/**
* Your MyCircularQueue object will be instantiated and called as such:
* MyCircularQueue obj = new MyCircularQueue(k);
* boolean param_1 = obj.enQueue(value);
* boolean param_2 = obj.deQueue();
* int param_3 = obj.Front();
* int param_4 = obj.Rear();
* boolean param_5 = obj.isEmpty();
* boolean param_6 = obj.isFull();
*/
5.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。
Deque是一个接口，使用时必须创建LinkedList的对象。
使用：
双端队列既能作为栈来使用，也能作为队列来使用。
当作栈时调用push方法，将会从底层链表头插数据，pop方法从底层链表头删数据。
当作队列时调用offer方法，将会从底层链表尾插数据，poll方法从链表头删数据。
两者都适用于peek方法，因为在源码中，peek方法返回链表头，就是栈的栈顶，也就是队列的队头。
5.经典面试题
1.【232. 用栈实现队列】
题意：
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
说明：
你 只能 使用标准的栈操作 —— 也就是只有 push to top, peek/pop from top, size, 和 is empty 操作是合法的。
你所使用的语言也许不支持栈。你可以使用 list 或者 deque（双端队列）来模拟一个栈，只要是标准的栈操作即可。
思路：
入队列时入进栈，出队列时把数据从入栈出，进出栈内，再从出栈出数据，就模拟实现了队列的先进先出。
代码：
class MyQueue {
Stack<Integer> stackIn;
Stack<Integer> stackOut;
public MyQueue() {
stackIn=new Stack<>();
stackOut=new Stack<>();
}
public void push(int x) {
stackIn.push(x);
}
public int pop() {
fun();
return stackOut.pop();
}
public int peek() {
fun();
return stackOut.peek();
}
public boolean empty() {
return stackIn.isEmpty()&&stackOut.isEmpty();
}
private void fun() {
//当出栈不为空时，直接返回，此时可以直接从出栈出数据
//当出栈为空时，需要把入栈内的数据全部出到出栈中。
if(!stackOut.isEmpty()) return;
while (!stackIn.isEmpty()) {
stackOut.push(stackIn.pop());
}
}
}
/**
* Your MyQueue object will be instantiated and called as such:
* MyQueue obj = new MyQueue();
* obj.push(x);
* int param_2 = obj.pop();
* int param_3 = obj.peek();
* boolean param_4 = obj.empty();
*/
2.【225. 用队列实现栈】
题意：
使用队列实现栈的下列操作：
push(x) – 元素 x 入栈
pop() – 移除栈顶元素
top() – 获取栈顶元素
empty() – 返回栈是否为空
注意:
你只能使用队列的基本操作-- 也就是 push to back, peek/pop from front, size, 和 is empty 这些操作是合法的。
你所使用的语言也许不支持队列。 你可以使用 list 或者 deque（双端队列）来模拟一个队列 , 只要是标准的队列操作即可。
你可以假设所有操作都是有效的（例如, 对一个空的栈不会调用 pop 或者 top 操作）。
思路：
用队列来模拟栈的先进后出，此时就需要通过两个栈来更改数据的顺序，来模拟实现先进后出。
在每次新入元素时，让该元素先进入queue2中，如果queue1中元素不为空，就让queue1中元素依次出队列进入queue2中，再交换queue1和queue2，这样就可以通过queue2调整元素的顺序，使得queue1中的元素顺序模拟了栈的先入后出。
代码：
class MyStack {
Queue<Integer> queue1;
Queue<Integer> queue2;
public MyStack() {
queue1=new LinkedList<>();
queue2=new LinkedList<>();
}
public void push(int x) {
queue2.offer(x);
while (!queue1.isEmpty()) {
queue2.offer(queue1.poll());
}
//交换queue1和queue2，交换完成后queue1成为模拟栈，queue2又变为空
Queue<Integer> temp=queue1;
queue1=queue2;
queue2=temp;
}
public int pop() {
return queue1.poll();
}
public int top() {
return queue1.peek();
}
public boolean empty() {
return queue1.isEmpty();
}
}
/**
* Your MyStack object will be instantiated and called as such:
* MyStack obj = new MyStack();
* obj.push(x);
* int param_2 = obj.pop();
* int param_3 = obj.top();
* boolean param_4 = obj.empty();
*/
3.【155. 最小栈】
题意：
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。
思路：
利用辅助栈来存储栈中最小的元素，入栈时数据栈正常入栈，辅助栈在为空时或者数据小于等于栈顶元素时，辅助栈也入栈数据。此时如果获取堆栈中最小元素，直接返回辅助栈的栈顶元素即可。在删除栈顶元素时，需要判断数据栈要删除的元素是否和辅助栈的栈顶元素相同，相同的情况下辅助栈也需要删除元素。
代码：
class MinStack {
Stack<Integer> stack;
Stack<Integer> minStack;
public MinStack() {
stack=new Stack<>();
minStack=new Stack<>();
}
public void push(int val) {
stack.push(val);
if(minStack.empty()||val<=minStack.peek())
minStack.push(val);
}
public void pop() {
int val=stack.pop();
if(minStack.peek()==val)
minStack.pop();
}
public int top() {
return stack.peek();
}
public int getMin() {
return minStack.peek();
}
}
⚡️最后的话⚡️
总结不易，希望uu们不要吝啬你们的哟(＾Ｕ＾)ノ~ＹＯ！！如有问题，欢迎评论区批评指正
