Java数据结构-队列

1. 队列概念

队列是一种只能在一端进行插入数据操作，另一端进行删除数据操作的数据结构，插入数据的叫队尾，删除数据的叫队头。类似于生活中的排队打饭，进入队列中只能从队伍的后面进入，出队只能在队头出。队列是一种先进先出的数据结构。

2. 模拟实现队列

队列有链式结构和顺序结构两种，Java中的Queue接口底层是链式结构，包含方法如下：

add和offer表示入队，remove和poll表示出队，element和peek表示获取队头的元素（不删除）。

2.1 链式队列

Java的Queue底层是用双向链表实现的，所以我们也用双向链表模拟实现

public class MyQueue<E> {//使用双向链表static class ListNode {public ListNode next;//前驱public ListNode prev;//后继public Object val;//值//构造方法用于初始化public ListNode(Object val) {this.val = val;}}public ListNode head;//头public ListNode tail;//尾//入队->只能从尾部入队(尾插)public void offer(E val) {ListNode newNode = new ListNode(val);//第一次入队if (tail == null) {head = tail = newNode;return;}tail.next = newNode;newNode.prev = tail;tail = newNode;}//出队->只能从头部出队(头删)public E poll() {if (empty()) {return null;}Object ret = head.val;head = head.next;head.prev = null;return (E) ret;}//获取队头元素public E peek() {if (empty()) {return null;}return (E)head.val;}//判断队列是否为空public boolean empty() {return head == null;}}

2.2 循环队列

循环队列是使用数组实现的，循环队列的结果如图

循环队列的原理： 循环队列看似乎结果成环，其实底层是连续的数组，实现循环的是队头(front)和队尾(rear)两个变量，front下标表示队列的第一个元素，rear下标则是队尾的下一个位置。队列为空的条件：front==rear，队列满了的条件：（rear+1）%数组长度 ==front

代码实现：

public class round_robinQueue<E> {public Object[] elem;//数组public int front;//队头public int rear;//队尾//k表示容量public round_robinQueue(int k) {this.elem = new Object[k + 1];//浪费一个空间,所以申请了k+1个空间}//入队一个元素public boolean offer(E value) {//满了不能插if (isFull()) {return false;}elem[rear] = value;rear = (rear + 1) % elem.length;return true;}//出队一个元素public boolean poll() {if (isEmpty()) {return false;}front = (front + 1) % elem.length;return true;}//获取队头元素public E getFront() {if (isEmpty()) {return null;}return (E) elem[front];}//获取队尾元素public E Rear() {if (isEmpty()) {return null;}//rear指向的是下一个位置,不是最后一个元素,如果rear=0,会越界if (rear == 0) {return (E) elem[elem.length - 1];}return (E) elem[rear - 1];}public boolean isEmpty() {return front == rear;}public boolean isFull() {return (rear + 1) % elem.length == front;}
}

3. 双端队列

双端队列指允许两端都可以进行入队、出队操作的队列，Java中可以使用Deque这个接口，有顺序实现ArrayDeque和链式实现LinkedList

4. 队列的应用

4.1 用队列实现栈

题目链接：用队列实现栈
解题思路： 首先，只使用一个队列是不行的，需要两队列。
实现逻辑： 入栈操作：将元素放入不为空的队列(如果是第一次入栈，两个队列都可以)。出栈操作：将不为空的队列中的n-1个元素放入另一个队列中，最后将剩下的元素出队。获取栈顶元素：将不为空的队列中所有的元素放入另一个队列中，返回最后一个元素即可
代码：

class MyStack {public Queue<Integer> q1;public Queue<Integer> q2;public MyStack() {q1 = new LinkedList<>();q2 = new LinkedList<>();}//入栈public void push(int x) {//如果都为空,在q1中添加if (empty()) {q1.offer(x);return;}if (q1.isEmpty()) {q2.offer(x);} else {q1.offer(x);}}//出栈public int pop() {//如果模拟栈为空,返回if (empty()) {return -1;}if (!q1.isEmpty()) {//q1不为空int size = q1.size();for (int i = 0; i < size - 1; i++) {q2.offer(q1.poll());}return q1.poll();} else {int size = q2.size();for (int i = 0; i < size - 1; i++) {q1.offer(q2.poll());}return q2.poll();}}//获取栈顶元素
public int top() {//如果模拟栈为空,返回if (empty()) {return -1;}if (!q1.isEmpty()) {//q1不为空int size = q1.size();int ret = -1;for (int i = 0; i < size; i++) {ret = q1.poll();q2.offer(ret);}return ret;} else {int size = q2.size();int ret = -1;for (int i = 0; i < size; i++) {ret = q2.poll();q1.offer(ret);}return ret;}}//判断模拟栈是否为空,如果两个队列都为空则为空public boolean empty() {return q1.isEmpty() && q2.isEmpty();}
}

4.2 用栈实现队列

题目链接： 用栈实现队列
解题思路： 使用两个栈实现队列，入队和出队的逻辑：其中一个栈(s1)只进行入栈操作，表示入队列；另一个栈(s2)只进行出栈操作，表示出队，如果s2空了再将s1中所有元素都入s2这个栈

代码：

class MyQueue {public Stack<Integer> s1;public Stack<Integer> s2;public MyQueue() {s1 = new Stack<>();s2 = new Stack<>();}public void push(int x) {s1.push(x);}public int pop() {if (empty()) {return -1;}//如果s2为空,把s1的所有元素拿过来if (s2.empty()) {while (!s1.empty()) {s2.push(s1.pop());}}return s2.pop();}public int peek() {if (empty()) {return -1;}//如果s2为空,把s1的所有元素拿过来if (s2.empty()) {while (!s1.empty()) {s2.push(s1.pop());}}return s2.peek();}public boolean empty() {return s1.empty() && s2.empty();}
}

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