Java 數據結構 - 隊列

我們今天要講的數據結構是隊列，比如 Java 線程池任務就是隊列實現的。

1. 什么是隊列

和棧一樣，隊列也是一種操作受限的線性結構。使用隊列時，在一端插入元素，而在另一端刪除元素。

1.1 隊列的主要特性

隊列中的數據元素遵守 "先進先出"(First In First Out)的原則，簡稱 FIFO 結構。

限定只能在隊列一端插入，而在另一端進行刪除操作。

1.2 隊列的相關概念

入隊(enqueue)：隊列的插入操作。

出隊(dequeue)：隊列的刪除操作。

2. 復雜度分析

和棧一樣，隊列也有兩種實現方案，我們簡單分析一下這兩種隊列的復雜度：

動態隊列(鏈表)：也叫鏈式隊列。其插入、刪除時間復雜度都是 O(1)。

靜態隊列(數組)：也叫順序隊列。當隊列隊尾指針移到最后時，此時有兩種操作：一是進行簡單的數據搬移，二是進行隊列循環。

關于隊列的實現，我們只實現如下的基本操作。

public interface Queue {

Queue enqueue(Object obj); // 入隊

Object dequeue(); // 出隊

int size(); // 元素個數

}

2.1 鏈式隊列

鏈式隊列的實現非常簡單，其插入和刪除的時間復雜度都是 O(1)。為了簡化代碼的實現，我們引入哨兵結點。如下圖所示，head 頭結點是哨兵結點，不保存任何數據，從 head.next 開始保存數據，tail 結點指向最后一個元素結點。鏈表隊列頭結點和尾結點說明：

頭結點：head 結點為哨兵結點，不保存任何數據，數據從第二個結點開始。

尾結點：tail 結點指向最后一個數據結點。

根據上圖，我們可以輕松實現一個鏈表組成的隊列，代碼也很簡單。

public class LinkedQueue implements Queue {

private Node head;

private Node tail;

private int size;

public LinkedQueue() {

head = new Node(null, null);

tail = head;

}

@Override

public Queue enqueue(Object obj) {

tail.next = new Node(obj, null);

tail = tail.next;

size++;

return this;

}

@Override

public Object dequeue() {

Node next = head.next;

if (next == null) {

return null;

}

head = head.next;

size--;

return next.item;

}

@Override

public int size() {

return size;

}

public static class Node {

private Object item;

private Node next;

public Node(Object item, Node next) {

this.item = item;

this.next = next;

}

}

}

2.2 順序隊列

如果是數組實現的隊列，則比鏈表要復雜一些，當尾結點指向數組的最后一個位置時，沒有剩余的空間存放數據時，此時該如何處理？通過我們有兩種解決方案：

數據搬移：將 head ~ tail 結點的數據搬移到從 0 結點開始。

循環隊列：tail 結點從 0 開始循環使用，不用搬移數據。

我們先看一下循環隊列

如上圖所示，當尾結點指向數組最后一個位置，當 tail 指向數組最后位置時，觸發數據搬移，將 head ~ tail 結點的數據搬移到從 0 結點開始。數組隊列頭結點和尾結點說明：

頭結點：head 結點指向第一個數據結點。當 head == tail 時說明隊列處于隊空狀態，直接返回 null。

尾結點：tail 結點指向最后一個數據之后的空結點。當 tail == capcity 時說明隊列處于隊滿狀態，需要擴容或進行數據搬移。

根據上述理論代碼實現如下：

public class ArrayQueue implements Queue {

private Object[] array;

private int capcity;

// head指向第一個數據結點的位置，tail指向最后一個數據結點之后的位置

private int head;

private int tail;

public ArrayQueue() {

this.capcity = 1024;

this.array = new Object[this.capcity];

}

public ArrayQueue(int capcity) {

this.capcity = capcity;

this.array = new Object[capcity];

}

/**

* tail 指向數組最后位置時，需要觸發擴容或數組搬移

* 1. head!=0 說明數組還有剩余的空間，將 head 搬運到隊列 array[0]

* 2. head==0 說明數組沒有剩余的空間，擴容

*/

@Override

public Queue enqueue(Object obj) {

if (tail == capcity) {

if (head == 0) {

resize();

} else {

rewind();

}

}

array[tail++] = obj;

return this;

}

@Override

public Object dequeue() {

if (head == tail) {

return null;

}

Object obj = array[head];

array[head] = null;

head++;

return obj;

}

// 將 head 搬運到隊列 array[0]

private void rewind() {

for (int i = head; i < tail; i++) {

array[i - head] = array[i];

array[i] = null;

}

tail -= head;

head = 0;

}

// 擴容

private void resize() {

int oldCapcity = this.capcity;

int newCapcity = this.capcity * 2;

Object[] newArray = new Object[newCapcity];

for (int i = 0; i < oldCapcity; i++) {

newArray[i] = array[i];

}

this.capcity = newCapcity;

this.array = newArray;

}

@Override

public int size() {

return tail - head;

}

}

說明： 數組隊列出隊的時間復雜度始終是 O(1)。但入隊時要分為三種情況：

有空間：大多數情況，也是最好時間復雜度 O(1)。

沒有空間需要數據搬移：執行 n 后觸發一次數據搬移，最壞時間復雜度 O(n)。

沒有空間需要擴容：執行 n 后觸發一次數據搬移，最壞時間復雜度 O(n)。

如果采用攤還分析法，最好時間復雜度 O(1)，最壞時間復雜度 O(n)，攤還時間復雜度為 O(1)。雖然，平均時間復雜度還是 O(1)，但我們能不能不進行數據搬移，直接循環使用數組呢？

2.3 循環隊列

循環隊列是一種非常高效的隊列，我們需要重點掌握它，要能輕松寫出無 BUG 的循環隊列。

數組隊列頭結點和尾結點說明：

頭結點：head 結點指向第一個數據結點。當 head == tail 時說明隊列處于隊空狀態，直接返回 null。否則在元素出隊后，需要重新計算 head 值。

尾結點：tail 結點指向最后一個數據之后的空結點。每次插入元素后重新計算 tail 值，當 tail == head 時說明隊列處于隊滿狀態，需要擴容。

元素位置：對數組長度取模 (tail + 1) % length ，所以這種數據為了提高效率，都要求數組長度為 2^n，通過位運算取模 (tail + 1) & (length - 1)。

public class ArrayCircularQueue implements Queue {

private Object[] array;

private int capcity;

// 頭結點指向

private int head;

private int tail;

public ArrayCircularQueue() {

this.capcity = 1024;

this.array = new Object[this.capcity];

}

public ArrayCircularQueue(int capcity) {

this.capcity = capcity;

this.array = new Object[capcity];

}

@Override

public Queue enqueue(Object obj) {

array[tail] = obj;

if ((tail = (tail + 1) % capcity) == head) {

resize();

}

return this;

}

@Override

public Object dequeue() {

if (head == tail) {

return null;

}

Object obj = array[head];

array[head] = null;

head = (head + 1) % capcity;

return obj;

}

// 不擴容，要先判斷能否往數組中添加元素

public Queue enqueue2(Object obj) {

if ((tail + 1) % capcity == head) return this;

array[tail] = obj;

tail = (tail + 1) % capcity;

return this;

}

// 擴容

private void resize() {

// 說明還有空間

if (head != tail) {

return;

}

int oldCapcity = this.capcity;

int newCapcity = this.capcity * 2;

Object[] newArray = new Object[newCapcity];

for (int i = head; i < oldCapcity; i++) {

newArray[i - head] = array[i];

}

for (int i = 0; i < head; i++) {

newArray[capcity - head + i] = array[i];

}

this.capcity = newCapcity;

this.array = newArray;

this.head = 0;

this.tail = oldCapcity;

}

@Override

public int size() {

return tail - head;

}

}

說明： 循環隊列關鍵是判斷隊空和空滿的狀態分別進行處理。除開擴容操作，循環隊列的入隊和出隊的時間復雜度都是 O(1)，同時也可以充分利用 CPU 緩存，所以說一種高效的數據結構。

2.4 阻塞隊列和并發隊列

3. 隊列在軟件工程中應用

如 JDK 線程池，當線程池沒有空閑線程時，新的任務請求線程資源時，線程池該如何處理？各種處理策略又是如何實現的呢？我們一般有兩種處理策略。

非阻塞的處理方式，直接拒絕任務請求；

阻塞的處理方式，將請求排隊，等到有空閑線程時，取出排隊的請求繼續處理。

每天用心記錄一點點。內容也許不重要，但習慣很重要！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的java 数据队列_Java 数据结构 - 队列的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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