資料結構與算法系列七（佇列）
阿新 • • 發佈：2020-03-02
1.引子
1.1.為什麼要學習資料結構與演算法？
有人說，資料結構與演算法，計算機網路，與作業系統都一樣，脫離日常開發，除了面試這輩子可能都用不到呀！
有人說，我是做業務開發的，只要熟練API，熟練框架，熟練各種中介軟體，寫的程式碼不也能“飛”起來嗎？
於是問題來了：為什麼還要學習資料結構與演算法呢？
#理由一：
面試的時候，千萬不要被資料結構與演算法拖了後腿
#理由二：
你真的願意做一輩子CRUD Boy嗎
#理由三：
不想寫出開源框架，中介軟體的工程師，不是好廚子
1.2.如何系統化學習資料結構與演算法？
我想好了，還是需要學習資料結構與演算法。但是我有兩個困惑：
1.如何著手學習呢？
2.有哪些內容要學習呢？
學習方法推薦：
#學習方法 1.從基礎開始，系統化學習 2.多動手，每一種資料結構與演算法，都自己用程式碼實現出來 3.思路更重要：理解實現思想，不要背程式碼 4.與日常開發結合，對應應用場景
學習內容推薦：
資料結構與演算法內容比較多，我們本著實用原則，學習經典的、常用的資料結構、與常用演算法
#學習內容：
1.資料結構的定義
2.演算法的定義
3.複雜度分析
4.常用資料結構
陣列、連結串列、棧、佇列
散列表、二叉樹、堆
跳錶、圖
5.常用演算法
遞迴、排序、二分查詢
搜尋、雜湊、貪心、分治
動態規劃、字串匹配2.考考你
你還記得在陣列那一篇中，我們說過基於線性表的資料結構有哪些嗎？它們是：陣列、連結串列、棧、佇列。
上一篇【資料結構與算法系列六（棧）】中，我們已經詳細瞭解了棧這種資料結構：棧是一種操作受限的資料結構。佇列是基於線性表的資料結構中，最後一種了，很巧！它也是一種操作受限的資料結構。
佇列同樣可以基於陣列實現：順序佇列；也可以基於連結串列實現：鏈式佇列。
那麼問題來了：具體如何實現一個佇列呢？它都有哪些應用場景呢？
#考考你： 1.你能用自己的話描述佇列嗎？ 2.你知道常見的佇列分類嗎？ 3.你知道佇列程式碼實現的關鍵嗎？ 4.你知道如何實現一個迴圈佇列嗎？ 5.你知道佇列的常見的應用場景嗎？
3.案例
3.1.佇列的定義
佇列是一種基於線性表的資料結構，與棧一樣，都是操作受限的資料結構。棧的特點是後進先出，而佇列的特點是先進先出（FIFO），就像我們平常在火車站排隊候車一樣。
佇列有兩頭：隊頭，和隊尾。從隊頭出隊元素，在隊尾入隊新的元素。
3.2.程式碼實現
順序佇列程式碼：
package com.anan.struct.linetable;
/**
* 順序佇列：基於陣列實現
* @param <E>
*/
public class ArrayQueue<E> {
private Object[] items;
private int n;
// 佇列需要兩個下標：對頭下標索引、隊尾下標索引
private int head;
private int tail;
public ArrayQueue(int capacity){
this.items = new Object[capacity];
this.n = capacity;
}
/**
* 入隊操作：
*/
public boolean enqueue(E e){
// 檢查佇列是否滿
// 佇列滿條件 tail==n && head == 0
if(tail == n){
// 檢查對頭是否沒有出隊
if(head == 0){
return false;
}
// 如果已經有元素出隊，則向對頭移動資料
for (int i = head; i < tail ; i++) {
items[i - head] = items[i];
}
tail = tail - head;
head = 0;
}
// 入隊
items[tail] = e;
tail ++;
return true;
}
/**
* 出隊操作：
*/
public E dequeue(){
// 檢查佇列是否空
// 佇列空條件：head == tail
if(head == tail){
return null;
}
// 出隊
E e = (E)items[head];
head ++;
return e;
}
}
測試程式碼：
package com.anan.struct.linetable;
/**
* 測試佇列
*/
public class ArrayQueueTest {
public static void main(String[] args) {
// 1.建立佇列
int capacity = 10;
ArrayQueue<Integer> queue = new ArrayQueue<Integer>(capacity);
System.out.println("1.建立佇列---------佇列容量：" + capacity);
// 2.入隊操作
System.out.println("2.入隊操作---------");
int count = 5;
for (int i = 0; i < count; i++) {
queue.enqueue(i);
System.out.println("入隊元素：" + i);
}
// 3.出隊操作
System.out.println("3.出隊操作---------");
for (int i = 0; i < count; i++) {
System.out.println("出隊元素：" + queue.dequeue());
}
}
}
測試結果：
D:\02teach\01soft\jdk8\bin\java com.anan.struct.linetable.ArrayQueueTest 1.建立佇列---------佇列容量：10 2.入隊操作--------- 入隊元素：0 入隊元素：1 入隊元素：2 入隊元素：3 入隊元素：4 3.出隊操作--------- 出隊元素：0 出隊元素：1 出隊元素：2 出隊元素：3 出隊元素：4 Process finished with exit code 0
3.3.迴圈佇列程式碼實現
package com.anan.struct.linetable;
/**
* 迴圈佇列
*/
public class CircularQueue<E> {
private Object[] items;
private int n;
// 隊頭、對尾指標
private int head;
private int tail;
public CircularQueue(int capacity){
items = new Object[capacity];
n = capacity;
}
/**
* 入隊操作
*/
public boolean enqueue(E e){
// 判斷佇列是否滿
// 佇列滿條件：(tail + 1) % n == head
if((tail + 1) % n == head){
return false;
}
items[tail] = e;
tail = (tail + 1) % n;
return true;
}
/**
* 出隊操作
*/
public E dequeue(){
// 判斷佇列是否空
// 佇列空條件：tail == head
if(tail == head){
return null;
}
E e = (E)items[head];
head = (head + 1) % n;
return e;
}
}
4.討論分享
#考考你答案：
1.你能用自己的話描述佇列嗎？
1.1.佇列是基於線性表的資料結構
1.2.佇列是一種操作受限的資料結構
1.3.佇列滿足先進先出（FIFO）的特點
1.4.佇列在隊頭出隊元素，在隊尾入隊元素
2.你知道常見的佇列分類嗎？
2.1.從底層資料結構分類有：順序佇列、鏈式佇列
2.2.從實現特點分類有：迴圈佇列、阻塞佇列、併發佇列
3.你知道佇列程式碼實現的關鍵嗎？
3.1.佇列滿足先進先出（FIFO）特點
3.2.佇列在隊頭出隊元素，在隊尾入隊元素
3.3.實現佇列的關鍵：
a.需要兩個指標：head、tail分別指向隊頭和隊尾
b.入隊時，判斷佇列滿條件：tail == n && head == 0
c.出隊時，判斷佇列空條件：tail == head
4.你知道如何實現一個迴圈佇列嗎？
4.1.在案例中，基於陣列實現了一個普通的佇列
4.2.入隊操作的時候，如果佇列滿，需要移動資料
// 如果佇列滿，且已經有元素出隊，則向對頭移動資料
for (int i = head; i < tail ; i++) {
items[i - head] = items[i];
}
4.3.這樣會將入隊操作，時間複雜度從O(1)，轉變成O(n)，執行效率下降
4.4.有沒有更好的方式，保持入隊操作的時間複雜度為O(1)不變呢？
4.5.答案是：通過迴圈佇列來實現
4.6.關於迴圈佇列的程式碼，你可以參考【3.3】迴圈佇列實現
4.7.重點關注佇列滿的條件：(tail + 1) % n == head
4.8.看你是否能理解，歡迎留言我們一起討論
5.你知道佇列的常見的應用場景嗎？
5.1.佇列主要針對有限資源控制的應用場景
5.2.比如資料庫連線池的應用
5.3.比如執行緒池的應用
5.4.如果你有興趣，可以看一下JUC中執行緒池的底層實現
5.5.JUC執行緒池的底層，應用了：阻塞佇列
5.6.通過佇列還能實現：生產者---消費者模型
JUC建立執行緒池：
&n