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一、队列的概念:
队列(简称作队,Queue)也是一种特殊的线性表,队列的数据元素以及数据元素间的逻辑关系和线性表完全相同,其差别是线性表允许在任意位置插入和删除,而队列只允许在其一端进行插入操作在其另一端进行删除操作。
队列中允许进行插入操作的一端称为队尾,允许进行删除操作的一端称为队头。队列的插入操作通常称作入队列,队列的删除操作通常称作出队列。
下图是一个依次向队列中插入数据元素a0,a1,...,an-1后的示意图:
上图中,a0是当前 队头数据元素,an-1是当前 队尾数据元素。
为了避免当只有一个元素时,对头和队尾重合使得处理变得麻烦,所以引入两个指针:front指针指向队头元素,rear指针指向队尾元素的下一个位置,这样的话,当front指针等于rear时,此队列不是还剩一个元素,而是空队列。
二、队列的抽象数据类型:
数据集合:
队列的数据集合可以表示为a0,a1,…,an-1,每个数据元素的数据类型可以是任意的类型。
操作集合:
(1)入队列append(obj):把数据元素obj插入队尾。
(2)出队列delete():把队头数据元素删除并由函数返回。
(3)取队头数据元素getFront():取队头数据元素并由函数返回。
(4)非空否isEmpty():非空否。若队列非空,则函数返回false,否则函数返回true。
三、循环顺序队列:
线性表有顺序存储和链式存储,队列是一种特殊的线性表,同样也存在这两种存储方式。我们先来看一下队列的顺序存储。
1、顺序队列的“假溢出”:
上图中,front指针指向队头元素,rear指针指向队尾元素的下一个位置。图(d)中b、c、d出队后,front指针指向元素e,rear指针在数组外面。假设这个队列的总个数不超过5个,但目前如果接着入队的话,因数组末尾元素已经被占用,再向后加就会产生数组越界的错误,可实际上队列在下标为0、1、2、3、4的地方还是空闲的,我们把这种现象叫做“假溢出”。
2、循环顺序队列:
所以解决假溢出的办法就是后面满了,就再从头开始,也就是头尾相接的循环。我们把队列的这种逻辑上首尾相连的顺序存储结构称为循环队列。
如何判断循环队列究竟是空的还是满的:
现在问题又来了,我们之前说,空队列时,front指针等于rear指针,那么现在循环队列满的时候,也是front等于rear,那么如何判断循环队列究竟是空的还是满的?有如下办法:
我们在接下来的代码中采用方法3来实现。
3、代码实现:(循环顺序队列的创建)
(1)Queue.java:(队列接口)
- //队列接口
- public interface Queue {
-
- //入队
- public void append(Object obj) throws Exception;
-
- //出队
- public Object delete() throws Exception;
-
- //获得队头元素
- public Object getFront() throws Exception;
-
- //判断对列是否为空
- public boolean isEmpty();
- }
(2)CircleSequenceQueue.java:(循环顺序队列)
- //循环顺序队列
- public class CircleSequenceQueue implements Queue {
-
- static final int defaultSize = 10; //默认队列的长度
- int front; //队头
- int rear; //队尾
- int count; //统计元素个数的计数器
- int maxSize; //队的最大长度
- Object[] queue; //队列
-
- public CircleSequenceQueue() {
- init(defaultSize);
- }
-
- public CircleSequenceQueue(int size) {
- init(size);
- }
-
- public void init(int size) {
- maxSize = size;
- front = rear = 0;
- count = 0;
- queue = new Object[size];
- }
-
- @Override
- public void append(Object obj) throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- if (count > 0 && front == rear) {
- throw new Exception("队列已满!");
- }
- queue[rear] = obj;
- rear = (rear + 1) % maxSize;
- count++;
- }
-
- @Override
- public Object delete() throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- if (isEmpty()) {
- throw new Exception("队列为空!");
- }
- Object obj = queue[front];
- front = (front + 1) % maxSize;
- count--;
- return obj;
- }
-
- @Override
- public Object getFront() throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- if (!isEmpty()) {
- return queue[front];
- } else {
- return null;
- }
- }
-
- @Override
- public boolean isEmpty() {
- // TODO Auto-generated method stub
- return count == 0;
- }
-
- }
(3)Test.java:
- public class Test {
- public static void main(String[] args) throws Exception {
-
- CircleSequenceQueue queue = new CircleSequenceQueue();
- queue.append("a");
- queue.append("b");
- queue.append("c");
- queue.append("d");
- queue.append("e");
- queue.append("f");
-
- queue.delete();
- queue.delete();
-
- queue.append("g");
-
- while (!queue.isEmpty()) {
- System.out.println(queue.delete());
- }
- }
- }
运行效果:
4、循环队列应用:
使用顺序循环队列和多线程实现一个排队买票的例子。而且,我们只允许这个队伍中同时排队的只有10个人,那就需要用到队列了。
生产者(等候买票)
消费者 (买票离开)
这里面我们需要用到上面的Queue.java类和CircleSequenceQueue.java类。
代码结构:
(3)WindowQueue.java:
- //卖票窗口
- public class WindowQueue {
-
- //卖票的队列
- int maxSize = 10;
- CircleSequenceQueue queue = new CircleSequenceQueue(maxSize);
- int num = 0; //统计卖票的数量,一天最多卖100张票。
- boolean isAlive = true; //判断是否继续卖票。
-
- //排队买票
- public synchronized void producer() throws Exception {
- if (queue.count < maxSize) {
- queue.append(num++); //等待买票的数量加1
- System.out.println("第" + num + "个客户排队等待买票!");
- this.notifyAll();//唤醒卖票的线程
- } else {
- try {
- System.out.println("队列已满...请等待!");
- this.wait();//队列满时,排队买票线程等待。
- } catch (Exception ex) {
- ex.printStackTrace();
- }
- }
- }
-
- //卖票
- public synchronized void consumer() throws Exception {
- if (queue.count > 0) {
- Object obj = queue.delete();
- int temp = Integer.parseInt(obj.toString());
- System.out.println("第" + (temp + 1) + "个客户买到票离开队列!");
- //如果当前队列为空,并且卖出票的数量大于等于100,说明卖票结束
- if (queue.isEmpty() && this.num >= 100) {
- this.isAlive = false;
- }
- this.notifyAll(); //唤醒排队买票的线程。
- } else {
- try {
- System.out.println("队列已空...请等待!");
- this.wait();//队列空时,卖票线程等待。
- } catch (Exception ex) {
- ex.printStackTrace();
- }
- }
- }
- }
(4)Producer.java:
- //买票者
- public class Producer implements Runnable {
-
- WindowQueue queue;
-
- public Producer(WindowQueue queue) {
- this.queue = queue;
- }
-
- @Override
- public void run() {
- // TODO Auto-generated method stub
- while (queue.num < 100) {
- try {
- queue.producer();
- } catch (Exception ex) {
- ex.printStackTrace();
- }
- }
- }
-
- }
(5)Consumer.java:
- //卖票者
- public class Consumer implements Runnable {
-
- WindowQueue queue;
-
- public Consumer(WindowQueue queue) {
- this.queue = queue;
- }
-
- @Override
- public void run() {
- // TODO Auto-generated method stub
- while (queue.isAlive) {
- try {
- queue.consumer();
- } catch (Exception ex) {
- ex.printStackTrace();
- }
- }
- }
-
- }
(6)test.java:
- public class Test {
-
- public static void main(String[] args) throws Exception {
-
- WindowQueue queue = new WindowQueue();
-
- Producer p = new Producer(queue);//注意一定要传同一个窗口对象
- Consumer c = new Consumer(queue);
-
- //排队买票线程
- Thread pThread = new Thread(p);
- //卖票线程
- Thread cThread = new Thread(c);
-
- pThread.start(); //开始排队买票
- cThread.start(); //开始卖票
- }
-
- }
注意第07行的注释。
运行效果:
四、链式队列:
链式队列其实就是特殊的单链表,只不过它只能尾进头出而已。链式队列的存储结构如下图所示:
1、链式队列的实现:
(1)Node.java:结点类
- //结点类
- public class Node {
-
- Object element; //数据域
- Node next; //指针域
-
- //头结点的构造方法
- public Node(Node nextval) {
- this.next = nextval;
- }
-
- //非头结点的构造方法
- public Node(Object obj, Node nextval) {
- this.element = obj;
- this.next = nextval;
- }
-
- //获得当前结点的后继结点
- public Node getNext() {
- return this.next;
- }
-
- //获得当前的数据域的值
- public Object getElement() {
- return this.element;
- }
-
- //设置当前结点的指针域
- public void setNext(Node nextval) {
- this.next = nextval;
- }
-
- //设置当前结点的数据域
- public void setElement(Object obj) {
- this.element = obj;
- }
-
- public String toString() {
- return this.element.toString();
- }
- }
(2)Queue.java:
- //队列接口
- public interface Queue {
-
- //入队
- public void append(Object obj) throws Exception;
-
- //出队
- public Object delete() throws Exception;
-
- //获得队头元素
- public Object getFront() throws Exception;
-
- //判断对列是否为空
- public boolean isEmpty();
- }
(3)LinkQueue.java:
- public class LinkQueue implements Queue {
-
- Node front; //队头
- Node rear; //队尾
- int count; //计数器
-
- public LinkQueue() {
- init();
- }
-
- public void init() {
- front = rear = null;
- count = 0;
- }
-
- @Override
- public void append(Object obj) throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- Node node = new Node(obj, null);
-
- //如果当前队列不为空。
- if (rear != null) {
- rear.next = node; //队尾结点指向新结点
- }
-
- rear = node; //设置队尾结点为新结点
-
- //说明要插入的结点是队列的第一个结点
- if (front == null) {
- front = node;
- }
- count++;
- }
-
- @Override
- public Object delete() throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- if (isEmpty()) {
- new Exception("队列已空!");
- }
- Node node = front;
- front = front.next;
- count--;
- return node.getElement();
- }
-
- @Override
- public Object getFront() throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- if (!isEmpty()) {
- return front.getElement();
- } else {
- return null;
- }
- }
-
- @Override
- public boolean isEmpty() {
- // TODO Auto-generated method stub
- return count == 0;
- }
-
- }
(4)Test.java:
- public class Test {
-
- public static void main(String[] args) throws Exception {
-
- LinkQueue queue = new LinkQueue();
- queue.append("a");
- queue.append("b");
- queue.append("c");
- queue.append("d");
- queue.append("e");
- queue.append("f");
-
- queue.delete();
- queue.delete();
-
- queue.append("g");
-
- while (!queue.isEmpty()) {
- System.out.println(queue.delete());
- }
- }
- }
运行效果:
2、链式队列的应用:
题目:
编写一个判断一个字符串是否是回文的算法。
思路:
设字符数组str中存放了要判断的字符串。把字符数组中的字符逐个分别存入一个队列和栈中,然后逐个出队和出栈比较出队的字符与出栈的字符是否相同,若全部相等则该字符串为回文。
代码实现:
这里面需要用到上面一段中的LinkQueue类。代码结构如下:
(4)Stack.java:栈接口
- //栈接口
- public interface Stack {
-
- //入栈
- public void push(Object obj) throws Exception;
-
- //出栈
- public Object pop() throws Exception;
-
- //获得栈顶元素
- public Object getTop() throws Exception;
-
- //判断栈是否为空
- public boolean isEmpty();
- }
(5)LinkStack.java:
- public class LinkStack implements Stack {
-
- Node head; //栈顶指针
- int size; //结点的个数
-
- public LinkStack() {
- head = null;
- size = 0;
- }
-
- @Override
- public Object getTop() throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- return head.getElement();
- }
-
- @Override
- public boolean isEmpty() {
- // TODO Auto-generated method stub
- return head == null;
- }
-
- @Override
- public Object pop() throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- if (isEmpty()) {
- throw new Exception("栈为空!");
- }
- Object obj = head.getElement();
- head = head.getNext();
- size--;
- return obj;
-
- }
-
- @Override
- public void push(Object obj) throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- head = new Node(obj, head);
- size++;
- }
-
- }
(6)Test.java:测试类
- public class Test {
-
- public static void main(String[] args) throws Exception {
-
- String str1 = "ABCDCBA"; //是回文
- String str2 = "ABCDECAB"; //不是回文
-
- try {
- if (Test.isHuiWen(str1)) {
- System.out.println(str2 + ":是回文!");
- } else {
- System.out.println(str2 + ":不是回文!");
- }
- } catch (Exception ex) {
- ex.printStackTrace();
- }
- }
-
-
- //方法:判断字符串是否回文
- public static boolean isHuiWen(String str) throws Exception {
- int n = str.length();
- LinkStack stack = new LinkStack();//创建堆栈
- LinkQueue queue = new LinkQueue();//创建队列
- for (int i = 0; i < n; i++) {
- stack.push(str.subSequence(i, i + 1)); //把字符串每个字符压进堆栈
- queue.append(str.subSequence(i, i + 1));//把字符串每个字符压入队列
- }
- while (!queue.isEmpty() && !stack.isEmpty()) {
- if (!queue.delete().equals(stack.pop())) { //出队列,出栈,同时判断是否相同
- return false;
- }
- }
-
- return true;
- }
-
- }
3、循环队列和链式队列的比较:
(1)从时间上看,它们的基本操作都是常数时间,即O(1)的。不过循环队列是事先申请好空间,使用期间不释放;而链式队列,每次申请和释放结点也会存在一定的时间开销,如果入栈和出栈比较频繁,则两者还是有细微的差别。
(2)从空间上看,循环队列必须有一个固定的长度,所以就有了存储元素个数和空间浪费的问题。而链式队列不存在这个问题,尽管它需要一个指针域,会产生一些空间上的开销,但也可以接受。所以在空间上,链式队列更加灵活。
总结:总的来说,在可以确定队列长度的最大值的情况下,建议用循环队列,如果你无法估计队列的长度,那就用链式队列。
五、优先级队列:
优先级队列是带有优先级的队列。
用顺序存储结构实现的优先级队列称作顺序优先级队列。
用链式存储结构存储的优先级队列称作链式优先级队列。
顺序优先级队列和顺序循环队列相比主要有两点不同:
(1)对于顺序优先级队列来说,出队列操作不是把队头数据元素出队列,而是把队列中优先级最高的数据元素出队列。(入队操作没区别)
(2)对于顺序优先级队列来说,数据元素由两部分组成,一部分是原先意义上的数据元素,另一部分是优先级。通常设计优先级为int类型的数值,并规定数值越小优先级越高。
1、顺序优先队列的实现:
设计顺序优先级队列分为两个类:
数据元素类
优先级队列类
代码实现:
(1)Element.java:
- //优先级队列元素类
- public class Element {
-
- private Object element; // 数据
- private int priority; // 优先级
-
- public Element(Object obj, int priority) {
- this.element = obj;
- this.priority = priority;
- }
-
- public Object getElement() {
- return element;
- }
-
- public void setElement(Object element) {
- this.element = element;
- }
-
- public int getPriority() {
- return priority;
- }
-
- public void setPriority(int priority) {
- this.priority = priority;
- }
-
- }
(2)Queue.java:
- //队列接口
- public interface Queue {
-
- //入队
- public void append(Object obj) throws Exception;
-
- //出队
- public Object delete() throws Exception;
-
- //获得队头元素
- public Object getFront() throws Exception;
-
- //判断对列是否为空
- public boolean isEmpty();
- }
(3)PrioritySequenceQueue.java:
- //优先级队列
- public class PrioritySequenceQueue implements Queue {
-
- static final int defaultSize = 10; //默认队列长度
- int front; //队头
- int rear; //队尾
- int count; //计数器
- int maxSize; //队列最大长度
- Element[] queue; //队列
-
- public PrioritySequenceQueue() {
- init(defaultSize);
- }
-
- public PrioritySequenceQueue(int size) {
- init(size);
- }
-
- public void init(int size) {
- maxSize = size;
- front = rear = 0;
- count = 0;
- queue = new Element[size];
- }
-
- @Override
- public void append(Object obj) throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- //如果队列已满
- if (count >= maxSize) {
- throw new Exception("队列已满!");
- }
- queue[rear] = (Element) obj;
- rear++;
- count++;
- }
-
- @Override
- public Object delete() throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- if (isEmpty()) {
- throw new Exception("队列为空!");
- }
- //默认第一个元素为优先级最高的。
- Element min = queue[0];
- int minIndex = 0;
- for (int i = 0; i < count; i++) {
- if (queue[i].getPriority() < min.getPriority()) {
- min = queue[i];
- minIndex = i;
- }
- }
-
- //找的优先级别最高的元素后,把该元素后面的元素向前移动。
- for (int i = minIndex + 1; i < count; i++) {
- queue[i - 1] = queue[i]; //移动元素
- }
- rear--;
- count--;
- return min;
- }
-
- @Override
- public Object getFront() throws Exception {
- // TODO Auto-generated method stub
- if (isEmpty()) {
- throw new Exception("队列为空!");
- }
- //默认第一个元素为优先级最高的。
- Element min = queue[0];
- int minIndex = 0;
- for (int i = 0; i < count; i++) {
- if (queue[i].getPriority() < min.getPriority()) {
- min = queue[i];
- minIndex = i;
- }
- }
- return min;
- }
-
- @Override
- public boolean isEmpty() {
- // TODO Auto-generated method stub
- return count == 0;
- }
-
- }
2、代码测试:
设计一个程序模仿操作系统的进程管理问题。进程服务按优先级高的先服务,优先级相同的先到先服务的原则管理。
模仿数据包含两个部分:进程编号和优先级。如下有五个进程:
1 30
2 20
3 40
4 20
5 0 ----------优先级最高,先服务
(4)Test.java:
- public class Test {
-
- public static void main(String[] args) throws Exception {
-
- PrioritySequenceQueue queue = new PrioritySequenceQueue();
- Element temp;
-
- //五个进程入队
- queue.append(new Element(1, 30));
- queue.append(new Element(2, 20));
- queue.append(new Element(3, 40));
- queue.append(new Element(4, 20));
- queue.append(new Element(5, 0));
-
- //按照优先级出队。
- System.out.println("编号 优先级");
- while (!queue.isEmpty()) {
- temp = (Element) queue.delete();
- System.out.println(temp.getElement() + " " + temp.getPriority());
- }
- }
- }
运行效果:
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