数据结构与算法——队列

1. 概述

前面说完了栈，接下来再看看另一种很基础的数据结构，队列。顾名思义，队列跟我们现实生活中的排队很相似：例如我们在食堂排队打饭，先来的先打到，后来的只能一次排在后面，不允许插队。很明显，队列的操作也是受限的，插入元素（入队）只能在队尾，删除元素（出队）只能在队头。结合下面的图就很容易理解了：

2. 队列实现

和栈一样，队列也有两种实现方式，使用数组实现的队列叫做顺序队列，使用链表实现的队列叫做链式队列。这里我实现了链式队列，你也可以根据其思想使用数组来实现。

public class LinkedListQueue {
    
    private Node head;//队头节点指针
    private Node tail;//队尾节点指针
    private int size;//队列中元素个数

    public LinkedListQueue() {
        this.head = null;
        this.tail = null;
        this.size = 0;
    }
    
    //入队
    public boolean enqueue(String value) {
        Node node = new Node(value);
        if(tail == null) {
            head = tail = node;
            this.size ++;
            return true;
        }
        
        tail.next = node;
        tail = node;
        
        this.size ++;
        return true;
    }
    
    //出队列
    public String dequeue() {
        if(head == null) return null;//队列为空
        
        String result = head.getData();
        
        head = head.next;
        this.size --;
        return result;
    }
    
    //定义链表节点
    public static class Node{
        private String data;
        private Node next;

        public Node(String data) {
            this.data = data;
            this.next = null;
        }

        public String getData() {
            return data;
        }
    }
}

3. 循环队列

在使用数组实现队列的时候，会出现一个问题，就是随着队头和队尾指针的后移，就算数组中还有空间，也不能进行入队操作了。这时候我们需要进行数据搬移，性能会受到影响，而循环队列解决了这个问题。

循环队列就是将数组首尾相连，形成了一个环形：

如上图，当指针 tail 到达数组末尾的时候，并不进行数据搬移，而是直接将指针向前移，到达了 0 这个位置。在进行一次入队，就变成了下面的样子：

可以看到，循环队列判断空的条件是 head == tail，而怎么判断队列满呢？答案是 （tail + 1）== head 的时候，队列就满了，不能看出循环队列实际上浪费了一个存储空间。下面我给出了循环队列的代码实现：

public class CircularQueue {

    private String[] items;
    private int size;
    private int head;
    private int tail;
    
    public CircularQueue(int capacity) {
        this.items = new String[capacity];
        this.size = 0;
        this.head = 0;
        this.tail = 0;
    }
    
    public CircularQueue() {
        this(16);
    }
    
    //入队列
    public boolean enqueue(String value) {
        if((tail + 1) % items.length == head) return false;//队列已满
        
        items[tail] = value;
        //head 和 tail 指针的移动不是简单的加减1了
        tail = (tail + 1) % items.length;
        this.size ++;
        
        return true;
    }

    //出队列
    public String dequeue() {
        if(head ==  tail) return null;//队列为空
        
        String result = items[head];
        head = (head + 1) % items.length;
        this.size --;
        
        return result;
    }
    
    //队列中元素个数
    public int size() {
        return size;
    }

    //打印队列中数据
    public void print() {
        int h = head;
        int t = tail;
        
        while(h != t) {
            System.out.print(items[h] + "  ");
            h = (h + 1) % items.length;
        }
        System.out.println();
    }
}