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Java队列存储结构及实现

[日期:2017-05-17] 来源:Linux社区  作者:Dylansuns [字体: ]

一、队列(Queue)

队列是一种特殊的线性表,它只允许在表的前段(front)进行删除操作,只允许在表的后端(rear)进行插入操作。进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头。

对于一个队列来说,每个元素总是从队列的rear端进入队列,然后等待该元素之前的所有元素出队之后,当前元素才能出对,遵循先进先出(FIFO)原则。

如果队列中不包含任何元素,该队列就被称为空队列。

Java提供了一个Queue接口,并为该接口提供了众多的实现类:ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue和SynchronousQueue。

其中常用的是:ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue和CurrentLinkedQueue,它们都是线程安全的队列。LinkedBlockingQueue队列的吞吐量通常比ArrayBlockingQueue队列高,但在大多数并发应用程序中,LinkedBlockingQueue的性能要低。

除了LinkedBlockingQueue队列之外,JDK还提供了另外一种链队列ConcurrentLinkedQueue,它基于一种先进的、无等待(wait-free)队列算法实现。

二、顺序队列存储结构的实现

package com.ietree.basic.datastructure.queue;

import java.util.Arrays;

/**
 * Created by ietree
 * 2017/4/29
 */
public class SequenceQueue<T> {

    private int DEFAULT_SIZE = 10;
    // 保存数组的长度
    private int capacity;
    // 定义一个数组用于保存顺序队列的元素
    private Object[] elementData;
    // 保存顺序队列中元素的当前个数
    private int front = 0;
    private int rear = 0;

    // 以默认数组长度创建空顺序队列
    public SequenceQueue() {

        capacity = DEFAULT_SIZE;
        elementData = new Object[capacity];

    }

    // 以一个初始化元素来创建顺序队列
    public SequenceQueue(T element) {

        this();
        elementData[0] = element;
        rear++;

    }

    /**
    * 以指定长度的数组来创建顺序线性表
    *
    * @param element  指定顺序队列中第一个元素
    * @param initSize 指定顺序队列底层数组的长度
    */
    public SequenceQueue(T element, int initSize) {

        this.capacity = initSize;
        elementData = new Object[capacity];
        elementData[0] = element;
        rear++;
    }

    /**
    * 获取顺序队列的大小
    *
    * @return 顺序队列的大小值
    */
    public int length() {

        return rear - front;

    }

    /**
    * 插入队列
    *
    * @param element 入队列的元素
    */
    public void add(T element) {

        if (rear > capacity - 1) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("队列已满异常");
        }
        elementData[rear++] = element;

    }

    /**
    * 移除队列
    *
    * @return 出队列的元素
    */
    public T remove() {

        if (empty()) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("空队列异常");
        }

        // 保留队列的rear端的元素的值
        T oldValue = (T) elementData[front];
        // 释放队列顶元素
        elementData[front++] = null;
        return oldValue;

    }

    // 返回队列顶元素,但不删除队列顶元素
    public T element() {

        if (empty()) {
            throw new IndexOutOfBoundsException("空队列异常");
        }
        return (T) elementData[front];

    }

    // 判断顺序队列是否为空
    public boolean empty() {

        return rear == front;

    }

    // 清空顺序队列
    public void clear() {

        // 将底层数组所有元素赋值为null
        Arrays.fill(elementData, null);
        front = 0;
        rear = 0;

    }

    public String toString() {

        if (empty()) {

            return "[]";

        } else {

            StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
            for (int i = front; i < rear; i++) {
                sb.append(elementData[i].toString() + ", ");
            }
            int len = sb.length();
            return sb.delete(len - 2, len).append("]").toString();
        }

    }

}

测试类:

package com.ietree.basic.datastructure.queue;

/**
 * Created by ietree
 * 2017/4/30
 */
public class SequenceQueueTest {

    public static void main(String[] args) {

        SequenceQueue<String> queue = new SequenceQueue<String>();
        // 依次将4个元素加入到队列中
        queue.add("aaaa");
        queue.add("bbbb");
        queue.add("cccc");
        queue.add("dddd");
        System.out.println(queue);

        System.out.println("访问队列的front端元素:" + queue.element());

        System.out.println("第一次弹出队列的front端元素:" + queue.remove());

        System.out.println("第二次弹出队列的front端元素:" + queue.remove());

        System.out.println("两次remove之后的队列:" + queue);
    }

}

程序输出:

[dddd, cccc, bbbb, aaaa]
访问栈顶元素:dddd
第一次弹出栈顶元素:dddd
第二次弹出栈顶元素:cccc
两次pop之后的栈:[bbbb, aaaa]

三、队列的链式存储结构实现

package com.ietree.basic.datastructure.queue;

/**
 * Created by ietree
 * 2017/4/30
 */
public class LinkQueue<T> {

    // 定义一个内部类Node,Node实例代表链队列的节点
    private class Node {

        // 保存节点的数据
        private T data;
        // 指向下个节点的引用
        private Node next;

        // 无参构造器
        public Node() {
        }

        // 初始化全部属性的构造器
        public Node(T data, Node next) {

            this.data = data;
            this.next = next;

        }

    }

    // 保存该链队列的头节点
    private Node front;
    // 保存该链队列的尾节点
    private Node rear;
    // 保存该链队列中已包含的节点数
    private int size;

    // 创建空链队列
    public LinkQueue() {
        // 空链队列,front和rear的值都为null
        front = null;
        rear = null;
    }

    // 以指定数据元素来创建链队列,该链队列只有一个元素
    public LinkQueue(T element) {

        front = new Node(element, null);
        // 只有一个节点,front、rear都是指向该节点
        rear = front;
        size++;

    }

    // 返回链队列的长度
    public int length() {

        return size;

    }

    // 将新元素加入队列
    public void add(T element) {
        // 如果该链队列还是空链队列
        if (front == null) {
            front = new Node(element, null);
            // 只有一个节点,front、rear都是指向该节点
            rear = front;
        } else {
            // 创建新节点
            Node newNode = new Node(element, null);
            // 让尾节点的next指向新增的节点
            rear.next = newNode;
            rear = newNode;
        }
        size++;
    }

    // 删除队列front端的元素
    public T remove() {

        Node oldfront = front;
        // 让front引用指向原队列顶元素的下一个元素
        front = front.next;
        // 释放原队列顶元素的next引用
        oldfront.next = null;
        size--;
        return oldfront.data;

    }

    // 访问队列顶元素,但不删除队列顶元素
    public T element() {

        return rear.data;

    }

    // 判断链队列是否为空队列
    public boolean empty() {

        return size == 0;

    }

    // 请空链队列
    public void clear() {
        // 将front、rear两个节点赋为null
        front = null;
        rear = null;
        size = 0;
    }

    public String toString() {

        // 链队列为空队列时
        if (empty()) {
            return "[]";
        } else {
            StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
            for (Node current = front; current != null; current = current.next) {
                sb.append(current.data.toString() + ", ");
            }
            int len = sb.length();
            return sb.delete(len - 2, len).append("]").toString();
        }

    }

}

测试类:

package com.ietree.basic.datastructure.queue;

/**
 * Created by ietree
 * 2017/4/30
 */
public class LinkQueueTest {

    public static void main(String[] args) {

        LinkQueue<String> queue = new LinkQueue<String>("aaaa");
        // 依次将4个元素加入到队列中
        queue.add("bbbb");
        queue.add("cccc");
        queue.add("dddd");
        System.out.println(queue);

        // 删除一个元素后
        queue.remove();
        System.out.println("删除一个元素后的队列:" + queue);

        // 再添加一个元素
        queue.add("eeee");
        System.out.println("再次添加元素后的队列:" + queue);

    }

}

程序输出:

[aaaa, bbbb, cccc, dddd]
删除一个元素后的队列:[bbbb, cccc, dddd]
再次添加元素后的队列:[bbbb, cccc, dddd, eeee]

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