我理解的數據結構（三）—— 隊列（Queue）

一、隊列

• 隊列是一種線性結構
• 相比數組，隊列對應的操作是數組的子集
• 只能從一端（隊尾）添加元素，只能從另一端（隊首）取出元素
• 隊列是一種先進先出的數據結構（FIFO）

二、數組隊列與循環隊列

1. 數組隊列

如果你有看過我之前的文章不要小看了數組或者棧，你就會發現，自己封裝一個數組隊列是如此的輕松加愉快！

（1）先定義一個接口，接口中定義隊列需要實現的方法

public interface Queue<E> {
    int getSize();
    boolean isEmpty();
    // 查看隊首元素
    E getFront();
    // 入隊
    void enqueue(E ele);
    // 出隊
    E dequeue();
}
 

（2）實現數組隊列

public class ArrayQueue<E> implements Queue<E> {
    
    // 這裏的數組是在之前的文章中封裝好的，直接拿來用就好了
    private ArrayNew<E> array;

    public ArrayQueue(int capacity) {
        array = new ArrayNew<>(capacity);
    }

    public ArrayQueue() {
        this(10);
    }

    public int getCapacity() {
        return array.getCapacity();
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return array.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return array.isEmpty();
    }

    @Override
    public E getFront() {
        return array.getFirst();
    }

    @Override
    public void enqueue(E ele) {
        array.addLast(ele);
    }

    @Override
    public E dequeue() {
        return array.removeFirst();
    }

    @Override
    public String toString() {

        StringBuffer res = new StringBuffer();

        res.append(String.format("arrayQueue: size = %d, capacity = %d\n", getSize(), getCapacity()));
        res.append("front [");

        for (int i = 0; i < array.getSize(); i++) {
            res.append(array.get(i));
            if (i != getSize() - 1) {
                res.append(", ");
            }
        }
        res.append("] tail");
        return res.toString();

    }

}
 

（3）數組隊列的復雜度

這個時候我們會發現，在進行出隊操作的時候，數組隊列的復雜度是0(n)，如果我們頻繁的進行出隊操作，那麽其實數組隊列的效率是很低的，如何提升數組隊列的性能呢？這個時候我們就要用到循環隊列了。

2. 循環隊列隊列

循環隊列的原理：

1. dequeue時，不要在去除隊首元素時，把整體向前移動
2. 維護 front 、 tail 和 size 這三個屬性
3. enqueue的時候tail++
4. dequeue
   的時候front++

（1）實現循環隊列

public class LoopQueue<E> implements Queue<E> {

    private E[] array;
    private int size;
    private int front;
    private int tail;

    public LoopQueue(int capacity) {
        // 我們需要浪費一個空間去判斷隊列是否已滿，所以需要把capacity + 1
        array = (E[])new Object[capacity + 1];
        front = 0;
        tail = 0;
        size = 0;
    }

    public LoopQueue() {
        this(10);
    }

    // 返回用戶傳遞的隊列大小
    public int getCapacity() {
        return array.length - 1;
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == tail;
    }

    @Override
    public E getFront() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("Queue is empty. Can't get front.");
        }

        return array[0];
    }

    @Override
    public void enqueue(E ele) {

        if (front == (tail + 1) % array.length) {
            // 擴展隊列長度為原長度2倍
            resize(getCapacity() * 2);
        }

        array[tail] = ele;
        size++;
        tail = (tail + 1) % array.length;
    }

    @Override
    public E dequeue() {

        if (isEmpty()) { // 隊列為空
            throw new IllegalArgumentException("Queue is empty. Can't get dequeue.");
        }

        E ele = array[front];

        size--;
        array[front] = null;
        front = (front + 1) % array.length;

        if (size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0) {
            resize(getCapacity() / 2);
        }

        return ele;

    }

    private void resize(int newCapacity) {
        E[] newArray = (E[]) new Object[newCapacity + 1];

        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newArray[i] = array[(front + i) % array.length];
        }

        array = newArray;
        front = 0;
        tail = size;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuffer res = new StringBuffer();

        res.append(String.format("queue: size = %d, capacity = %d\n", getSize(), getCapacity()));
        res.append("front [");

        // 循環條件，和循環增量都要註意下
        for (int i = front; i != tail; i = (i + 1) % array.length) {
            res.append(array[i]);

            if ((i + 1) % array.length != tail) {
                res.append(", ");
            }
        }
        res.append("] tail");

        return res.toString();
    }

}

（2）循環隊列的復雜度

三、用時間說話

（1）用時方法

public static double test(Queue<Integer> q, int opCount) {

    // 納秒
    long startTime = System.nanoTime();

    Random random = new Random();

    for (int i = 0; i < opCount; i++) {
        q.enqueue(random.nextInt(Integer.MAX_VALUE));
    }
    for (int i = 0; i < opCount; i++) {
        q.dequeue();
    }

    // 納秒
    long endTime = System.nanoTime();

    return (endTime - startTime) / 1000000000.0;
}

（2）調用

// 十萬次入隊和十萬次出隊操作
int opCount = 100000;

ArrayQueue<Integer> aq = new ArrayQueue<>();
double time1 = test(aq, opCount);
System.out.println(time1);

LoopQueue<Integer> lq = new LoopQueue<>();
double time2 = test(lq, opCount);
System.out.println(time2);

（3）結果

• 14.635995113
• 0.054536447

這個就是算法和數據結構的力量！

原文地址：https://segmentfault.com/a/1190000016147024

我理解的數據結構（三）—— 隊列（Queue）