什么是隊列?


與前面提到的數據結構相同,隊列中的數據也呈線性排列。雖然與有些相似,但隊列中添加和刪除數據的操作分別是在兩端進行的,就和隊列這個名字一樣,把它想象成排成一隊的人更容易理解。在隊列中,處理總是從第一名開始往后進行,而新來的人只能排在隊尾。

隊列是什么?

如上就是隊列的概念圖,現在隊列中只有數據 Blue。往隊列中添加數據時,數據被加在最上面。

然后,隊列中添加了數據 Green。往隊列中添加數據的操作叫作入隊

緊接着,數據 Red 也入隊了。

從隊列中取出(刪除)數據時,是從最下面,也就是最早入隊的數據開始的,即 Blue。從隊列中刪除數據的操作叫作出隊

如果再進行一次出隊操作,取出的就是 Green 了。

像隊列這種最先進去的數據最先被取來,即先進先出的結構,我們稱為 First In First Out,簡稱 FIFO

與棧類似,隊列中可以操作數據的位置也有一定的限制。在棧中,數據的添加和刪除都在同一端進行,而在隊列中則分別是在兩端進行的。隊列也不能直接訪問位於中間的數據,必須通過出隊操作將目標數據變成首位后才能訪問。

介紹完隊列的基本知識后,接下來舉一個例子,比如生活中常見的排隊買票。

如何理解隊列?

隊列這個概念非常好理解,你可以把它想象成排隊買票,先來的先買,后來的人只能站末尾,不允許插隊,先進者先出,這就是典型的隊列。

排隊買票

上一篇講到棧只支持兩個基本操作:入棧和出棧。隊列跟棧非常相似,支持的操作也很有限,最基本的操作也是兩個:入隊,放一個數據到隊列尾部;出隊,從隊列頭部取一個元素。

所以,隊列跟棧一樣,也是一種操作受限的線性表數據結構,隊列的概念很好理解,基本操作也很容易掌握。作為一種非常基礎的數據結構,隊列的應用也非常廣泛,特別是一些具有某些額外特性的隊列,比如循環隊列、阻塞隊列、並發隊列。

隊列的實現

看到這里,相信你已經對隊列有了初步的理解,隊列主要包含兩個操作,入隊出隊。光理解還不夠,我們還要動手去實現隊列,接下來讓我們來看一看如何用代碼實現一個隊列。

跟棧一樣,隊列可以用數組來實現,也可以用鏈表來實現。用數組實現的棧叫作順序棧,用鏈表實現的棧叫作鏈式棧。同樣,用數組實現的隊列叫作順序隊列,用鏈表實現的隊列叫作鏈式隊列

首先來看下用數組實現的隊列是怎么樣的,其實現如下圖所示:

順序隊列

那么我先用 Java 語言來實現下順序隊列,代碼如下:

/**
 * 基於數組實現的順序隊列
 *
 * @author wupx
 * @date 2020/02/13
 */
public class ArrayQueue {

    private String[] items;
    /**
     * 數組大小
     */
    private int n = 0;
    /**
     * 隊頭下標
     */
    private int head = 0;
    /**
     * 隊尾下標
     */
    private int tail = 0;

    /**
     * 申請一個大小為 capacity 的數組
     *
     * @param capacity
     */
    public ArrayQueue(int capacity) {
        items = new String[capacity];
        n = capacity;
    }

    /**
     * 入隊
     *
     * @param item
     * @return
     */
    public boolean enqueue(String item) {
        // 如果 tail == n 表示隊列已經滿了
        if (tail == n) {
            return false;
        }
        items[tail] = item;
        ++tail;
        return true;
    }

    /**
     * 出隊
     *
     * @return
     */
    public String dequeue() {
        // 如果 head == tail 表示隊列為空
        if (head == tail) {
            return null;
        }
        String ret = items[head];
        ++head;
        return ret;
    }
}

另外一種就是鏈式隊列,它的實現如下圖所示:

鏈式隊列

再用鏈表去實現隊列,代碼如下:

/**
 * 基於鏈表實現的鏈式隊列
 *
 * @author wupx
 * @date 2020/02/13
 */
public class LinkedListQueue {
    /**
     * 隊頭
     */
    private Node head = null;
    /**
     * 隊尾
     */
    private Node tail = null;

    /**
     * 入隊
     *
     * @param value
     */
    public void enqueue(String value) {
        if (tail == null) {
            Node newNode = new Node(value, null);
            head = newNode;
            tail = newNode;
        } else {
            tail.next = new Node(value, null);
            tail = tail.next;
        }
    }

    /**
     * 出隊
     *
     * @return
     */
    public String dequeue() {
        if (head == null) {
            return null;
        }

        String value = head.data;
        head = head.next;
        if (head == null) {
            tail = null;
        }
        return value;
    }

    public void printAll() {
        Node p = head;
        while (p != null) {
            System.out.print(p.data + " ");
            p = p.next;
        }
        System.out.println();
    }

    private static class Node {
        private String data;
        private Node next;

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

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

到此,我們就分別實現了基於數組和鏈表的隊列,大家可以自己實現下。

隊列還有很多擴展,比如循環隊列、阻塞隊列、並發隊列等,將在以后的文章中進行介紹。

總結

這篇主要講了一種跟很相似的數據結構-隊列,也是一種線性邏輯結構。

隊列遵循先進先出(FIFO)的原則,主要的兩個操作是入隊和出隊。隊列既可以用數組來實現,也可以用鏈表來實現。用數組實現的叫順序隊列,用鏈表實現的叫鏈式隊列。

參考

《我的第一本算法書》


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