隊列(單鏈表實現)

　　隊列，就是排隊，先到的站前面，先離開，后到的排后面，后離開。對應到計算機中，就是添加元素在隊尾，刪除元素是在隊頭，先進先出或后進后出。添加元素也叫入隊(enqueue)，刪除元素也叫出隊(dequeue)。當然還可以查看隊頭元素，隊中元素個數，以及是否為空，所以隊列提供了API 就是enqueue, dequeue，getFront, size, isEmpty。

　　使用單鏈表實現隊列

　　隊列在尾部添加元素，在頭部刪除元素。那就讓鏈表頭作為隊列的頭部，因為鏈表頭部容易執行刪除操作(出隊)。鏈表尾部只能作為隊列的尾部，執行插入操作(入隊)。但鏈表尾部執行插入操作，有一個問題，那就是每次都要遍歷整個鏈表，找到最后一個元素，才能執行插入操作。為了減少遍歷，要再維護一個尾指針，指向鏈表的尾部。因此，使用單鏈表實現一個隊列，鏈表需要維護兩個指針，頭指針和尾指針。頭指針指向鏈表的頭部，用於出隊。尾指針指向鏈表尾部，用於入隊。

public class LinkedQueue<T> {

    private class Node {
        T data;
        Node next;
        Node(T data) {
            this.data = data;
        }
    }

    private Node firstNode; //頭指針，隊頭
    private Node lastNode; // 尾指針，隊尾
    private int size;

    public void enqueue(T data){}
    public T dequeue(){}
    public int size(){}
    public boolean isEmpty(){}
    public T getFront(){}
    public void clear(){}
}

　　enqueue的實現，就是向鏈表尾部插入一個節點。創建一個新節點，如果隊列(鏈表)為空，直接讓頭尾指針都指向它

　　如果鏈表不空，讓尾節點的next指向它，同時更新尾指針的指向，讓它指向最新的尾節點

public void enqueue(T data){
    Node newNode = new Node(data);
    if(isEmpty()){
        firstNode = lastNode =newNode;
    } else {
        lastNode.next = newNode;
        lastNode = newNode;
    }
    size++;
}

　　dequeue的實現，就是鏈表頭部刪除一個節點。鏈表為空，肯定是不能被刪除的，如果鏈表不空，取出第一個節點，然后讓頭指針指向它的next節點就好了，

　　要注意的是一直刪除，頭指針會指向null，也就是鏈表中沒有元素了，尾指針也要指向null

public T dequeue(){
    if(isEmpty()){
        throw new RuntimeException("鏈表為空");
    }

    T frontData = firstNode.data;
    firstNode = firstNode.next;

    if(firstNode == null){
        lastNode = null;
    }

    size--;

    return frontData;
}

　　其它幾個實現比較簡單

public int size(){
    return size;
}
public boolean isEmpty(){
    return firstNode == null;
}
public T getFront(){
    if(isEmpty()){
        throw new RuntimeException("鏈表為空");
    }

    return firstNode.data;
}

public void clear(){
    firstNode = null;
    lastNode = null;
}

　　使用隊列模擬現實的隊列，比如買奶茶，以測算奶茶店的服務能力。如果要統計1小時內的服務能力，可以計算，在一小時內的到達人數，服務人數，等待時間等等。怎么統計呢？1小時，可以分60分鍾，每一分鍾檢測一次，有沒有顧客來，如果有就加到隊列中，如果沒有，就看有沒有顧客在服務，如要有，就繼續服務，如果沒有，服務下一位顧客。怎么知道有沒有人來？由於每一個顧客的到達時間是隨機的，可以使用一個隨機數，如果生成的隨機數小於一個閾值，就說明有顧客到，反之，則沒有顧客到。 由於每個顧客的服務時間也不一樣，可以再使用一個隨機數，計算出服務時間。可以看出有兩個類，WaitLine和Customer，在WaitLine中有到達人數(numberOfArrived)，服務人數(numberServed),  等待時間(totalTimeWaited)，在Customer中有到達時間(arriveTime)，服務時間(transactionTime)和排隊號碼(customerNum)。

public class WaitLine {
    private int numberOfArrivals;
    private int numberServed;
    private int totalTimeWaited;

    private class Customer {
        int arriveTime;
        int transactionTime;
        int customerNum;

        Customer(int arriveTime, int transactionTime, int customerNum) {
            this.arriveTime = arriveTime;
            this.transactionTime = transactionTime;
            this.customerNum = customerNum;
        }
    }
}

　　現在模擬一下隊列的情形，顧客到來的時間是隨機的，假設有50%的概率會來，那就表示，只要生成的隨機數小於50%，就表明顧客到了，加入隊列。顧客的服務時間也是不固定的，可以聲明一個最大服務時間，然后和隨機數相乘，假設最大服務時間是5s。顧客有沒有在服務，就是看它的服務時間有沒有到0，如果到了，就表示服務完成，到下一位顧客。

// duration: 要統計的服務時間區間，比如60分鍾
// arrivalProbability：每秒鍾顧管到達的概率, 比如50%
// maxTransactionTime：每位顧客的最長服務時間
public void simulate(int duration, double arrivalProbability, int maxTransactionTime) {
    var line = new LinkedQueue<Customer>(); // 創建一個隊列, 
    var transactionTimeLeft = 0;  // 每個顧客服務時間的剩余時間，表示一個顧客在不在服務

　　 // clock就是每一秒，用戶的到達時間和用戶的服務時間都用clock記錄
    for (int clock = 0; clock < duration; clock++) {
        // 監測用戶到沒到，隨機數小於規定的概率，表示有顧客到
        if (Math.random() < arrivalProbability) {
            numberOfArrivals++;
            var transactionTime = (int) (Math.random() * maxTransactionTime + 1);//生成每位顧客的服務時間
            var customer = new Customer(clock, transactionTime, numberOfArrivals); // 創建到達的顧客
            line.enqueue(customer);
        }

        // 某位顧客是否還在服務中
        if (transactionTimeLeft > 0) {
            transactionTimeLeft--; //還在服務中，繼續服務，不過服務時間要減1
        } else {
            if(!line.isEmpty()) {
                var nextCustomer = line.dequeue(); // 顧客離開隊列，被服務
                transactionTimeLeft = nextCustomer.transactionTime - 1; // 賦值服務時間，下次驗證是不是在服務他
                var waitingTime = clock - nextCustomer.arriveTime; // 每個用戶等待服務的時間
                totalTimeWaited = totalTimeWaited + waitingTime; // 整個隊列中用戶等待的時間
                numberServed++;
            }
        }
    }
}

　　測試一下

public static void main(String[] args) {
    WaitLine customerLine = new WaitLine();
    customerLine.simulate(20, 0.5, 5);
    System.out.println(customerLine.numberServed);
}