一文詳解「佇列」，手擼佇列的3種方法！
阿新 • • 發佈：2020-10-21
> 本文已收錄至我的 Github《演算法圖解》系列：[https://github.com/vipstone/algorithm](https://github.com/vipstone/algorithm)
前面我們介紹了[棧（Stack）](https://mp.weixin.qq.com/s/HkDnPxuOAT3GmbMgMmIAgg)，佇列和棧是比較像的一種資料結構。我們可以想象有很多輛汽車正在通過單行道的隧道，所有車輛不能插隊、不能掉頭，先進來的車也先出去，我們可以把這種特徵的資料結構稱之為佇列。
佇列也屬於邏輯結構，所謂的物理結構是指可以將資料儲存在物理空間中，比如陣列和連結串列都屬於物理資料結構；而邏輯結構則是用於描述資料間的邏輯關係的，它可以由多種不同的物理結構來實現，比如佇列和棧都屬於邏輯結構。
### 佇列特性
佇列中的元素必須是先進先出（First In First Out，FIFO）的，它有兩個重要的方法：入隊（enqueue）和出隊（dequeue）。佇列的入口端叫隊尾（rear），出口端叫隊頭（front），如下圖所示：
### 手擼佇列
學習了佇列的基本知識之後，接下來我們將使用程式碼來實現一個佇列。
首先我們先使用陣列來實現一個佇列，它的結構如下圖所示：
#### 1.自定義佇列—陣列
```java
public class MyQueue {
private Object[] queue; // 儲存容器
private int head; // 頭部指標
private int tail; // 尾部指標
private int size; // 佇列實際儲存長度
private int maxSize; // 最大容量
public MyQueue() {
// 無參建構函式，設定預設引數
this.maxSize = 10;
this.head = 0;
this.tail = -1;
this.size = 0;
this.queue = new Object[this.maxSize];
}
public MyQueue(int initSize) {
// 有參建構函式，設定引數
this.maxSize = initSize;
this.head = 0;
this.tail = -1;
this.size = 0;
this.queue = new Object[this.maxSize];
}
/**
* 查詢隊頭元素
*/
public E peek() throws Exception {
if (size == 0) {
throw new Exception("佇列中暫無資料");
}
return (E) this.queue[this.head];
}
/**
* 入列
*/
public boolean offer(E e) throws Exception {
if (tail >= (maxSize - 1)) {
throw new Exception("新增失敗，佇列已滿");
}
this.queue[++tail] = e;
size++;
return true;
}
/**
* 出列
*/
public E poll() throws Exception {
if (size == 0) {
throw new Exception("刪除失敗，佇列為空");
}
size--;
return (E) this.queue[head++];
}
/**
* 程式碼測試
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
MyQueue queue = new MyQueue();
queue.offer("Hello");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.peek());
queue.poll();
System.out.println(queue.poll());
}
}
```
以上程式碼的執行結果如下：
> Hello
>
> Java
#### 2.自定義佇列—連結串列
用連結串列實現佇列的資料結構如下圖所示：
實現程式碼如下：
```java
public class QueueByLinked {
/**
* 宣告連結串列節點
*/
static class Node {
E item; // 當前的值
Node next; // 下一個節點
Node(E e) {
this.item = e;
}
}
private Node firstNode; // 隊頭元素
private Node lastNode; // 隊尾元素
private int size; // 佇列實際儲存數量
private int maxSize; // 佇列最大容量
public QueueByLinked(int maxSize) {
if (maxSize <= 0) throw new RuntimeException("佇列最大容量不能為空");
// 預設初始化函式
firstNode = lastNode = new Node(null);
this.size = 0;
this.maxSize = maxSize;
}
/**
* 判斷佇列是否為空
*/
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
/**
* 入列
*/
public void offer(Object e) {
// 最大值效驗
if (maxSize <= size) throw new RuntimeException("佇列已滿");
Node node = new Node(e);
lastNode = lastNode.next = node; // 設定最後一個節點和倒數第二個節點的 next
size++; // 佇列數量 +1
}
/**
* 出列
*/
public Node poll() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("佇列為空");
size--; // 佇列數量 -1
return firstNode = firstNode.next; // 設定並返回隊頭元素（第一個節點是 null，當前元素則為 Node.next）
}
/**
* 查詢隊頭元素
*/
public Node peek() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("佇列為空");
return firstNode.next; // 返回隊頭元素（第一個節點是 null，當前元素則為 Node.next）
}
/**
* 程式碼測試
*/
public static void main(String[] args) {
QueueByLinked queue = new QueueByLinked(10);
queue.offer("Hello");
queue.offer("JDK");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.poll().item);
System.out.println(queue.poll().item);
System.out.println(queue.poll().item);
}
}
```
以上程式碼的執行結果如下：
> {
private List value; // 佇列儲存容器
public QueueByList() {
// 初始化
value = new ArrayList();
}
/**
* 判斷佇列是否為空
*/
public boolean isEmpty() {
return value.size() == 0;
}
/**
* 入列
*/
public void offer(Object e) {
value.add(e);
}
/**
* 出列
*/
public E poll() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("佇列為空");
E item = (E) value.get(0);
value.remove(0);
return item;
}
/**
* 查詢隊頭元素
*/
public E peek() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("佇列為空");
return (E) value.get(0);
}
/**
* 程式碼測試
*/
public static void main(String[] args) {
QueueByList queue = new QueueByList();
queue.offer("Hello");
queue.offer("JDK");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll());
}
}
```
以上程式碼的執行結果如下：
> Hello
>
> JDK
>
> Java
### 佇列使用場景
佇列的常見使用場景有：
- 儲存多執行緒中等待排隊執行的任務；
- 儲存多執行緒公平鎖中等待執行任務的執行緒；
- 常見訊息中介軟體的任務佇列等。
### 總結
通過以上三種佇列的實現方式我們可以看出，任意容器都是可以用來實現佇列（Queue）的，只要保證佇列的元素先進先出（FIFO），並且在實現類中需要包含佇列的四個核心方法：入列、出列、查詢佇列是否為空、返回隊頭元素等，就可以稱為實現了一個自定義的佇列。
最後，給大家留一個問題：佇列的型別都有哪些？歡迎評論區留言，我會在下篇文章中給出答案。歡迎關注我，每天和你一起進步一