Java實現佇列——順序佇列、鏈式佇列

概念

先進者先出，這就是典型的“佇列”。(First In, First Out，FIFO)。

我們知道，棧只支援兩個基本操作：入棧push()和出棧pop()。佇列跟棧非常相似，支援的操作也很有限，最基本的操作也是兩個：入隊和出隊。入隊 enqueue()，讓一個數據到佇列尾部；出隊 dequeue()，從佇列頭部取一個元素。

所以，佇列跟棧一樣，也是一種操作受限的線性表資料結構。

跟棧類似，用陣列實現的佇列叫做順序佇列，用連結串列實現的佇列叫做鏈式佇列。下面我們看下如何用Java程式碼如何實現。

順序佇列

程式碼如下：

public class QueueBasedArray implements QueueInterface {
    private String[] values;// 陣列
    private int capacity = 0;// 陣列容量
    private int head = 0;// 頭部下標
    private int tail = 0;// 尾部下標

    public QueueBasedArray(int capacity) {
        values = new String[capacity];
        this.capacity = capacity;
    }

    @Override
    public Boolean enqueue(String value) {
        // tail == capacity 表示佇列末尾沒有空間了
        if (tail == capacity) {
            // tail == capacity && head == 0 表示整個佇列都佔滿了。
            if (head == 0) {
                return false;
            }
            // 資料搬移
            for (int i = head; i < tail; i++) {
                values[i - head] = values[i];
            }
            // 搬移完成後更新 head 和 tail
            tail -= head;
            head = 0;
        }
        values[tail] = value;
        tail++;
        return true;
    }

    @Override
    public String dequeue() {
        // 如果 head == tail 表示佇列為空
        if (0 == tail) {
            return null;
        }
        String result = values[head];
        head++;
        return result;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "QueueBasedArray{" +
                "values=" + Arrays.toString(values) +
                ", capacity=" + capacity +
                ", head=" + head +
                ", tail=" + tail +
                '}';
    }
}
 

測試程式碼：

    QueueBasedArray qba = new QueueBasedArray(10);
    System.out.println(qba);

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        qba.enqueue("" + i + i + i);
    }
    System.out.println(qba);

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        qba.dequeue();
        System.out.println(qba);
    }

    for (int i = 11; i < 20; i++) {
        qba.enqueue("" + i + i + i);
    }
    System.out.println(qba);
 

輸出結果：符合預期

QueueBasedArray{values=[null, null, null, null, null, null, null, null, null, null], capacity=10, head=0, tail=0}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=0, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=1, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=2, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=3, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=4, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=5, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=6, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=7, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=8, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=9, tail=10}
QueueBasedArray{values=[000, 111, 222, 333, 444, 555, 666, 777, 888, 999], capacity=10, head=10, tail=10}
QueueBasedArray{values=[111111, 121212, 131313, 141414, 151515, 161616, 171717, 181818, 191919, 999], capacity=10, head=0, tail=9}

鏈式佇列

程式碼如下：

public class QueueBasedLinkedList implements QueueInterface {
    private Node head;
    private Node tail;

    /**
     * 入隊
     *
     * @param value
     * @return
     */
    @Override
    public Boolean enqueue(String value) {
        Node newNode = new Node(value, null);

        // tail為null，表示佇列中沒有資料
        if (null == tail) {
            head = newNode;
            tail = newNode;
        } else {
            tail.next = newNode;
            tail = newNode;
        }

        return true;
    }

    /**
     * 出隊
     *
     * @return
     */
    @Override
    public String dequeue() {
        // head == null,表示佇列為空。
        if (null == head) {
            return null;
        }

        // 獲取資料
        String value = head.getItem();
        // 移除頭結點，讓head指向下一個結點。
        head = head.next;
        // 如果此時的頭結點指向null，說明佇列已空，需要將tail指向null.
        if (null == head) {
            tail = null;
        }

        return value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "QueueBasedLinkedList{" +
                "head=" + head +
                ", tail=" + tail +
                '}';
    }

    private static class Node {
        String item;
        private Node next;

        public Node(String item, Node next) {
            this.item = item;
            this.next = next;
        }

        public String getItem() {
            return item;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Node{" +
                    "item='" + item + '\'' +
                    ", next=" + next +
                    '}';
        }
    }
}

測試程式碼：

    // 空佇列
    QueueBasedLinkedList qbll = new QueueBasedLinkedList();
    System.out.println("空佇列 " + qbll);
    System.out.println();

    // 入隊一個數據
    System.out.println("資料入隊是否成功：" + qbll.enqueue("0000"));
    System.out.println("入隊一個數據後：" + qbll);
    System.out.println();

    // 出隊一個數據
    System.out.println("出隊的資料是：" + qbll.dequeue());
    System.out.println("出隊一個數據後：" + qbll);
    System.out.println();

    // 異常測試：從空佇列中出隊，看結果
    System.out.println("出隊的資料是1：" + qbll.dequeue());
    System.out.println("出隊一個數據後1：" + qbll);
    System.out.println();

    // 入隊十條資料
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        System.out.println("資料入隊是否成功：" + qbll.enqueue("" + i + i + i));
        System.out.println(qbll);
    }

輸出結果：符合預期

空佇列 QueueBasedLinkedList{head=null, tail=null}

資料入隊是否成功：true
入隊一個數據後：QueueBasedLinkedList{head=Node{item='0000', next=null}, tail=Node{item='0000', next=null}}

出隊的資料是：0000
出隊一個數據後：QueueBasedLinkedList{head=null, tail=null}

出隊的資料是1：null
出隊一個數據後1：QueueBasedLinkedList{head=null, tail=null}

資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=null}, tail=Node{item='000', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=null}}, tail=Node{item='111', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=Node{item='222', next=null}}}, tail=Node{item='222', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=Node{item='222', next=Node{item='333', next=null}}}}, tail=Node{item='333', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=Node{item='222', next=Node{item='333', next=Node{item='444', next=null}}}}}, tail=Node{item='444', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=Node{item='222', next=Node{item='333', next=Node{item='444', next=Node{item='555', next=null}}}}}}, tail=Node{item='555', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=Node{item='222', next=Node{item='333', next=Node{item='444', next=Node{item='555', next=Node{item='666', next=null}}}}}}}, tail=Node{item='666', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=Node{item='222', next=Node{item='333', next=Node{item='444', next=Node{item='555', next=Node{item='666', next=Node{item='777', next=null}}}}}}}}, tail=Node{item='777', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=Node{item='222', next=Node{item='333', next=Node{item='444', next=Node{item='555', next=Node{item='666', next=Node{item='777', next=Node{item='888', next=null}}}}}}}}}, tail=Node{item='888', next=null}}
資料入隊是否成功：true
QueueBasedLinkedList{head=Node{item='000', next=Node{item='111', next=Node{item='222', next=Node{item='333', next=Node{item='444', next=Node{item='555', next=Node{item='666', next=Node{item='777', next=Node{item='888', next=Node{item='999', next=null}}}}}}}}}}, tail=Node{item='999', next=null}}

完整程式碼請檢視

專案中搜索SingleLinkedList即可。
github傳送門 https://github.com/tinyvampirepudge/DataStructureDemo

gitee傳送門 https://gitee.com/tinytongtong/DataStructureDemo

參考：
佇列：佇列線上程池等有限資源池中的應用