Java 数据结构之队列(Queue)详解
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
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
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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：
- 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。
- 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：
- 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。
- 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：
- 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。
- 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：
- int size(): 返回队列中的元素个数。
- 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。
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 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：
- void addFirst(E element): 将指定元素添加到双端队列的头部。
- void addLast(E element): 将指定元素添加到双端队列的尾部。
- 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。
- 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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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：
- void push(E element): 将元素推入栈顶，等同于addFirst(E element)。
- E pop(): 弹出并返回栈顶元素，等同于removeFirst()。
- 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 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 queue = new PriorityQueue(10, new Comparator() {
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 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。
上述循环队列实现的具体步骤总结如下：
（1）入队操作（enqueue）：
- 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。
- 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。
- 增加队列的元素个数（size++）。
- 输出入队的元素信息。
（2）出队操作（dequeue）：
- 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。
- 否则，获取头部元素（queue[front]）并保存到临时变量中。
- 计算新的头部位置（front = (front + 1) % capacity）。
- 减少队列的元素个数（size--）。
- 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）：
- 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）。
- 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）：
- 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。
- 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。
- 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。