本文已收錄至我的 Github《算法圖解》系列：https://github.com/vipstone/algorithm
前面我們介紹了棧（Stack），隊列和棧是比較像的一種數據結構。我們可以想象有很多輛汽車正在通過單行道的隧道，所有車輛不能插隊、不能掉頭，先進來的車也先出去，我們可以把這種特征的數據結構稱之為隊列。
隊列也屬於邏輯結構，所謂的物理結構是指可以將數據存儲在物理空間中，比如數組和鏈表都屬於物理數據結構；而邏輯結構則是用於描述數據間的邏輯關系的，它可以由多種不同的物理結構來實現，比如隊列和棧都屬於邏輯結構。
隊列特性
隊列中的元素必須是先進先出（First In First Out，FIFO）的，它有兩個重要的方法：入隊（enqueue）和出隊（dequeue）。隊列的入口端叫隊尾（rear），出口端叫隊頭（front），如下圖所示：
手擼隊列
學習了隊列的基本知識之后，接下來我們將使用代碼來實現一個隊列。
首先我們先使用數組來實現一個隊列，它的結構如下圖所示：
1.自定義隊列—數組
public class MyQueue<E> {
private Object[] queue; // 存儲容器
private int head; // 頭部指針
private int tail; // 尾部指針
private int size; // 隊列實際存儲長度
private int maxSize; // 最大容量
public MyQueue() {
// 無參構造函數，設置默認參數
this.maxSize = 10;
this.head = 0;
this.tail = -1;
this.size = 0;
this.queue = new Object[this.maxSize];
}
public MyQueue(int initSize) {
// 有參構造函數，設置參數
this.maxSize = initSize;
this.head = 0;
this.tail = -1;
this.size = 0;
this.queue = new Object[this.maxSize];
}
/**
* 查詢隊頭元素
*/
public E peek() throws Exception {
if (size == 0) {
throw new Exception("隊列中暫無數據");
}
return (E) this.queue[this.head];
}
/**
* 入列
*/
public boolean offer(E e) throws Exception {
if (tail >= (maxSize - 1)) {
throw new Exception("添加失敗，隊列已滿");
}
this.queue[++tail] = e;
size++;
return true;
}
/**
* 出列
*/
public E poll() throws Exception {
if (size == 0) {
throw new Exception("刪除失敗，隊列為空");
}
size--;
return (E) this.queue[head++];
}
/**
* 代碼測試
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
MyQueue queue = new MyQueue();
queue.offer("Hello");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.peek());
queue.poll();
System.out.println(queue.poll());
}
}
以上代碼的執行結果如下：
Hello
Java
2.自定義隊列—鏈表
用鏈表實現隊列的數據結構如下圖所示：
實現代碼如下：
public class QueueByLinked {
/**
* 聲明鏈表節點
*/
static class Node<E> {
E item; // 當前的值
Node<E> next; // 下一個節點
Node(E e) {
this.item = e;
}
}
private Node firstNode; // 隊頭元素
private Node lastNode; // 隊尾元素
private int size; // 隊列實際存儲數量
private int maxSize; // 隊列最大容量
public QueueByLinked(int maxSize) {
if (maxSize <= 0) throw new RuntimeException("隊列最大容量不能為空");
// 默認初始化函數
firstNode = lastNode = new Node(null);
this.size = 0;
this.maxSize = maxSize;
}
/**
* 判斷隊列是否為空
*/
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
/**
* 入列
*/
public void offer(Object e) {
// 最大值效驗
if (maxSize <= size) throw new RuntimeException("隊列已滿");
Node node = new Node(e);
lastNode = lastNode.next = node; // 設置最后一個節點和倒數第二個節點的 next
size++; // 隊列數量 +1
}
/**
* 出列
*/
public Node poll() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("隊列為空");
size--; // 隊列數量 -1
return firstNode = firstNode.next; // 設置並返回隊頭元素（第一個節點是 null，當前元素則為 Node.next）
}
/**
* 查詢隊頭元素
*/
public Node peek() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("隊列為空");
return firstNode.next; // 返回隊頭元素（第一個節點是 null，當前元素則為 Node.next）
}
/**
* 代碼測試
*/
public static void main(String[] args) {
QueueByLinked queue = new QueueByLinked(10);
queue.offer("Hello");
queue.offer("JDK");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.poll().item);
System.out.println(queue.poll().item);
System.out.println(queue.poll().item);
}
}
以上代碼的執行結果如下：
Hello
JDK
Java
3.擴展：使用 List 實現自定義隊列
除了以上兩種方式之外，我們還可以使用 Java 自身的數據結構來實現隊列，比如 List，我們這里提供一個實現的思路（但並不建議在實際工作中使用），實現代碼如下：
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* 自定義隊列（List方式）
*/
public class QueueByList<E> {
private List value; // 隊列存儲容器
public QueueByList() {
// 初始化
value = new ArrayList();
}
/**
* 判斷隊列是否為空
*/
public boolean isEmpty() {
return value.size() == 0;
}
/**
* 入列
*/
public void offer(Object e) {
value.add(e);
}
/**
* 出列
*/
public E poll() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("隊列為空");
E item = (E) value.get(0);
value.remove(0);
return item;
}
/**
* 查詢隊頭元素
*/
public E peek() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("隊列為空");
return (E) value.get(0);
}
/**
* 代碼測試
*/
public static void main(String[] args) {
QueueByList queue = new QueueByList();
queue.offer("Hello");
queue.offer("JDK");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll());
}
}
以上代碼的執行結果如下：
Hello
JDK
Java
隊列使用場景
隊列的常見使用場景有：
- 存儲多線程中等待排隊執行的任務；
- 存儲多線程公平鎖中等待執行任務的線程；
- 常見消息中間件的任務隊列等。
總結
通過以上三種隊列的實現方式我們可以看出，任意容器都是可以用來實現隊列（Queue）的，只要保證隊列的元素先進先出（FIFO），並且在實現類中需要包含隊列的四個核心方法：入列、出列、查詢隊列是否為空、返回隊頭元素等，就可以稱為實現了一個自定義的隊列。
最后，給大家留一個問題：隊列的類型都有哪些？歡迎評論區留言，我會在下篇文章中給出答案。歡迎關注我，每天和你一起進步一點點~