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Java 数据结构之队列(Queue)详解

2023-10-12 14:13

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1、在Java中有哪些常见的队列？

2、Queue 接口分析

3、Deque 接口分析

4、PriorityQueue 的实现原理详解

5、使用Java数组实现队列的简单示例

1、在Java中有哪些常见的队列？

在Java中，有一些常见的队列实现。下面是其中一些的列举：//队列也是一种线性的数据结构

ArrayList：ArrayList可以被用作队列，通过在列表末尾添加元素，并使用remove(0)方法从列表的开头删除元素。但是，由于在列表的开头删除元素会导致后续元素的移动，因此对于大量的插入和删除操作来说，ArrayList的性能可能不是最佳选择。
LinkedList：LinkedList也可以用作队列。LinkedList实现了Queue接口，可以使用offer()方法在队列的末尾添加元素，使用poll()方法从队列的开头删除并返回元素。LinkedList对于插入和删除操作具有较好的性能，因为它使用了指针来链接元素，而不需要移动其他元素。
ArrayBlockingQueue：ArrayBlockingQueue是一个有界阻塞队列，底层使用数组实现。它有一个固定的容量，并且在插入或删除元素时可能会阻塞线程，直到满足特定的条件。
LinkedBlockingQueue：LinkedBlockingQueue是一个可选有界或无界的阻塞队列，底层使用链表实现。它具有类似于ArrayBlockingQueue的功能，但在内部实现上略有不同。
PriorityBlockingQueue：PriorityBlockingQueue是一个支持优先级的无界阻塞队列。元素按照它们的优先级顺序被插入和删除。
ConcurrentLinkedQueue：ConcurrentLinkedQueue是一个非阻塞无界队列，它适用于多线程环境。它使用链表实现，并且提供了高效的并发操作。

以上是Java中的一些常见队列实现。具体选择哪种队列取决于你的需求和使用场景。

2、Queue 接口分析

Queue接口是Java集合框架中定义的一个接口，它代表了一个先进先出（FIFO）的队列。Queue接口继承自Collection接口，它定义了一组方法来操作队列中的元素。下面是Queue接口的一些主要方法和特性的详细解释：

（1）添加元素：

boolean add(E element): 将指定的元素添加到队列的末尾，如果成功则返回true，如果队列已满则抛出异常。
boolean offer(E element): 将指定的元素添加到队列的末尾，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。

（2）移除元素：

E remove(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空则抛出异常。
E poll(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空则返回null。

（3）获取头部元素：

E element(): 获取队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
E peek(): 获取队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。

（4）队列大小：

int size(): 返回队列中的元素个数。
boolean isEmpty(): 判断队列是否为空。

Queue接口还有一些其他方法，如clear()用于清空队列中的所有元素，contains(Object o)用于判断队列是否包含指定元素等。

Queue接口的常见实现类包括LinkedList、ArrayDeque和PriorityQueue等。LinkedList实现了Queue接口，并且还可以作为栈使用，它是一个双向链表。ArrayDeque是一个双端队列，它同时实现了Queue和Deque接口。PriorityQueue是一个基于优先级的队列，它允许元素按照优先级顺序被插入和删除。

通过使用Queue接口，我们可以方便地进行队列操作，如入队、出队、查看队列头部元素等。它在处理任务调度、消息传递等场景中非常有用。

Java Queue接口使用示例：

当使用Java中的Queue接口时，我们需要选择具体的实现类来创建一个队列对象。下面是一个使用Queue接口的示例，以LinkedList实现类为例：

import java.util.Queue;import java.util.LinkedList;public class QueueExample {    public static void main(String[] args) {        // 创建一个Queue对象        Queue queue = new LinkedList<>();        // 添加元素到队列        queue.add("Apple");        queue.add("Banana");        queue.add("Orange");        // 获取队列头部元素        String head = queue.peek();        System.out.println("头部元素：" + head);        // 遍历队列并输出元素        System.out.println("队列元素：");        for (String element : queue) {            System.out.println(element);        }        // 移除队列头部元素        String removedElement = queue.remove();        System.out.println("移除的元素：" + removedElement);        // 队列大小        int size = queue.size();        System.out.println("队列大小：" + size);        // 判断队列是否为空        boolean isEmpty = queue.isEmpty();        System.out.println("队列是否为空：" + isEmpty);    }}

在这个示例中，我们使用LinkedList作为实现类创建了一个Queue对象。我们向队列中添加了三个元素："Apple"，"Banana"和"Orange"。然后，我们使用peek()方法获取队列的头部元素，并使用for-each循环遍历队列并输出每个元素。

接下来，我们使用remove()方法移除队列的头部元素，并使用size()方法获取队列的大小。最后，我们使用isEmpty()方法判断队列是否为空。

3、Deque 接口分析

Deque接口是Java集合框架中定义的一个接口，它代表了一个双端队列（Double Ended Queue）。Deque是"双端队列"的缩写。Deque接口继承自Queue接口，并在其基础上提供了在队列两端进行添加、删除和检索元素的操作。Deque可以在队列的头部和尾部同时进行元素的插入和删除，因此可以作为队列、栈或双向队列使用。

Deque接口定义了以下主要方法和特性：

（1）添加元素：

void addFirst(E element): 将指定元素添加到双端队列的头部。
void addLast(E element): 将指定元素添加到双端队列的尾部。
boolean offerFirst(E element): 将指定元素添加到双端队列的头部，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。
boolean offerLast(E element): 将指定元素添加到双端队列的尾部，如果成功则返回true，如果队列已满则返回false。

（2）移除元素：

E removeFirst(): 移除并返回双端队列的头部元素，如果队列为空则抛出异常。
E removeLast(): 移除并返回双端队列的尾部元素，如果队列为空则抛出异常。
E pollFirst(): 移除并返回双端队列的头部元素，如果队列为空则返回null。
E pollLast(): 移除并返回双端队列的尾部元素，如果队列为空则返回null。

（3）获取头部和尾部元素：

E getFirst(): 获取双端队列的头部元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
E getLast(): 获取双端队列的尾部元素，但不移除它，如果队列为空则抛出异常。
E peekFirst(): 获取双端队列的头部元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。
E peekLast(): 获取双端队列的尾部元素，但不移除它，如果队列为空则返回null。

Deque接口还提供了一些其他方法，如size()用于返回双端队列中的元素个数，isEmpty()用于判断双端队列是否为空，clear()用于清空双端队列中的所有元素等。

Deque接口的常见实现类包括ArrayDeque和LinkedList。ArrayDeque是一个基于数组实现的双端队列，支持高效的随机访问和动态扩展。LinkedList是一个基于链表实现的双端队列，支持高效的插入和删除操作。

通过使用Deque接口，我们可以方便地进行双端队列操作，如在队列的头部和尾部插入和删除元素，获取头部和尾部元素，以及判断队列是否为空。Deque在许多场景下都很有用，比如实现LRU缓存、实现任务调度等。

另外，需要注意的是，Deque接口还可以用作栈（LIFO）的数据结构。通过在队列头部执行插入和删除操作，可以实现栈的功能。常见的栈操作可以使用Deque接口中的以下方法来实现：

void push(E element): 将元素推入栈顶，等同于addFirst(E element)。
E pop(): 弹出并返回栈顶元素，等同于removeFirst()。
E peek(): 获取栈顶元素，等同于peekFirst()。

所以，Deque接口是一个非常有用的接口，提供了双端队列的功能，既可以在队列的头部进行操作，也可以在尾部进行操作。它是Queue接口的扩展，可以方便地实现队列、栈和双向队列的功能，并提供了丰富的方法来操作和访问队列中的元素。

Java Deque 接口使用示例

当使用Java中的Deque接口时，我们同样需要选择具体的实现类来创建一个双端队列对象。下面是一个使用Deque接口的示例，以ArrayDeque实现类为例：

import java.util.Deque;import java.util.ArrayDeque;public class DequeExample {    public static void main(String[] args) {        // 创建一个Deque对象        Deque deque = new ArrayDeque<>();        // 添加元素到双端队列        deque.addFirst("Apple");        deque.addLast("Banana");        deque.addLast("Orange");        // 获取双端队列头部和尾部元素        String first = deque.getFirst();        String last = deque.getLast();        System.out.println("头部元素：" + first);        System.out.println("尾部元素：" + last);        // 遍历双端队列并输出元素        System.out.println("双端队列元素（从头到尾）：");        for (String element : deque) {            System.out.println(element);        }        // 移除双端队列头部和尾部元素        String removedFirst = deque.removeFirst();        String removedLast = deque.removeLast();        System.out.println("移除的头部元素：" + removedFirst);        System.out.println("移除的尾部元素：" + removedLast);        // 双端队列大小        int size = deque.size();        System.out.println("双端队列大小：" + size);        // 判断双端队列是否为空        boolean isEmpty = deque.isEmpty();        System.out.println("双端队列是否为空：" + isEmpty);    }}

在这个示例中，我们使用ArrayDeque作为实现类创建了一个Deque对象。我们向双端队列中添加了三个元素："Apple"、"Banana"和"Orange"。然后，我们使用getFirst()和getLast()方法分别获取双端队列的头部和尾部元素，并使用for-each循环遍历双端队列并输出每个元素。

接下来，我们使用removeFirst()和removeLast()方法移除双端队列的头部和尾部元素，并使用size()方法获取双端队列的大小。最后，我们使用isEmpty()方法判断双端队列是否为空。

4、PriorityQueue 的实现原理详解

PriorityQueue的实现原理是基于二叉堆（Binary Heap），它是一种特殊的完全二叉树结构，具有以下性质：

最小堆性质：在最小堆中，每个节点的值都小于或等于其子节点的值。也就是说，堆的根节点是最小的元素。

PriorityQueue使用一个数组来存储元素，并通过二叉堆的形式来组织这些元素。数组中的元素按照特定的顺序排列，满足最小堆的性质。在数组中，根节点位于索引0处，而对于任意位置i的节点，它的左子节点位于索引2i+1处，右子节点位于索引2i+2处。

当元素被添加到PriorityQueue时，它会被放置在数组的末尾，并按照以下步骤进行调整，以维护最小堆的性质：

上滤（Up-Heap）操作：新插入的元素会与其父节点进行比较。如果新插入的元素的优先级比父节点的优先级低（或者更大），则它会与父节点进行交换，直到满足最小堆的性质。

当从PriorityQueue中删除元素时，队列头部的元素被移除，并将数组的最后一个元素移动到头部位置。然后，这个元素会与其子节点进行比较，以保持最小堆的性质。

下滤（Down-Heap）操作：被移动到头部位置的元素会与其子节点进行比较。如果它的优先级比其中一个或两个子节点的优先级高（或者更小），则它会与较小的子节点进行交换。这个过程会递归地向下进行，直到满足最小堆的性质。

通过上述的上滤和下滤操作，PriorityQueue可以保持最小堆的性质，使得具有最高优先级的元素总是位于队列的头部。

PriorityQueue的插入和删除操作的时间复杂度都是O(logN)，其中N是队列中的元素个数。这是因为这些操作涉及到堆的调整，需要按照树的高度来进行操作。同时，PriorityQueue还支持高效的查找具有最高优先级的元素，时间复杂度为O(1)。

需要注意的是，PriorityQueue允许元素具有相同的优先级，但它们的顺序不一定是确定的。在这种情况下，PriorityQueue的行为是不保证的，具有相同优先级的元素可能会以任意顺序被取出。

优先队列(PriorityQueue)的使用示例：

    public static void main(String[] args) {        //默认采用的是最小堆实现的        PriorityQueue queue = new PriorityQueue(10, new Comparator() {            public int compare(Integer a, Integer b) {                return a - b; //if a>b 则交换，so这是递增序列            }        });        queue.offer(13);        queue.offer(9);        int len = queue.size();        for (int i = 0; i < len; i++) {            System.out.println(queue.poll());        }        //输出 9  13        //默认采用的是最小堆实现的        PriorityQueue queue2 = new PriorityQueue<>(10);        queue2.offer(11);        queue2.offer(9);        len = queue2.size();        for (int i = 0; i < len; i++) {            System.out.println(queue2.poll());        }        //输出 9， 11    }

5、使用Java数组实现队列的简单示例

下面是使用Java数组实现队列的简单示例代码：

public class ArrayQueue {    private int[] queue;  // 内部数组    private int front;    // 队列头部指针    private int rear;     // 队列尾部指针    private int size;     // 队列当前元素个数    private int capacity; // 队列容量    public ArrayQueue(int capacity) {        this.capacity = capacity;        queue = new int[capacity];        front = 0;        rear = -1;        size = 0;    }    public boolean isEmpty() {        return size == 0;    }    public boolean isFull() {        return size == capacity;    }    public int size() {        return size;    }    public void enqueue(int item) {        if (isFull()) {            System.out.println("Queue is full. Cannot enqueue.");            return;        }        rear = (rear + 1) % capacity; // 循环队列，计算新的尾部位置        queue[rear] = item;        size++;        System.out.println("Enqueued: " + item);    }    public int dequeue() {        if (isEmpty()) {            System.out.println("Queue is empty. Cannot dequeue.");            return -1;        }        int item = queue[front];        front = (front + 1) % capacity; // 循环队列，计算新的头部位置        size--;        System.out.println("Dequeued: " + item);        return item;    }    public int peek() {        if (isEmpty()) {            System.out.println("Queue is empty.");            return -1;        }        return queue[front];    }    public void display() {        if (isEmpty()) {            System.out.println("Queue is empty.");            return;        }        System.out.print("Queue: ");        int index = front;        for (int i = 0; i < size; i++) {            System.out.print(queue[index] + " ");            index = (index + 1) % capacity; // 循环遍历队列        }        System.out.println();    }    public static void main(String[] args) {        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(5);        queue.enqueue(10);        queue.enqueue(20);        queue.enqueue(30);        queue.display(); // Queue: 10 20 30        queue.dequeue();        queue.display(); // Queue: 20 30        queue.enqueue(40);        queue.enqueue(50);        queue.display(); // Queue: 20 30 40 50        queue.dequeue();        queue.dequeue();        queue.display(); // Queue: 40 50    }}

以上示例演示了使用Java数组实现的简单队列（循环队列）。通过enqueue()方法将元素入队，dequeue()方法将元素出队，peek()方法返回队列头部元素，size()方法返回队列当前元素个数，isEmpty()方法和isFull()方法检查队列是否为空或已满。display()方法用于打印队列中的元素。