数据结构与算法——队列

概述

　　计算机科学中，queue 是以顺序的方式维护的一组数据集合，在一端添加数据，从另一端移除数据。添加的一端称为尾，移除的一端称为头。

功能

• 　　插入offer(value : E) : boolean
• 　　取值并移除poll() : E
• 　　取值peek() : E
• 　　判断是否为空isEmpty() : boolean
• 　　判断队列是否满isfull() : boolean

接口代码

public interface Queue {

    /**
     * 向队列尾插入值
     * @param value 待插入值
     * @return 插入成功返回 true, 插入失败返回 false
     */
    boolean offer(E value);

    /**
     * 从对列头获取值, 并移除
     * @return 如果队列非空返回对头值, 否则返回 null
     */
    E poll();

    /**
     * 从对列头获取值, 不移除
     * @return 如果队列非空返回对头值, 否则返回 null
     */
    E peek();

    /**
     * 检查队列是否为空
     * @return 空返回 true, 否则返回 false
     */
    boolean isEmpty();

    /**
     * 检查队列是否已满
     * @return 满返回 true, 否则返回 false
     */
    boolean isFull();
}

链表实现

　　利用单向环形带哨兵链表实现

代码

import java.util.Iterator;
import java.util.StringJoiner;

/**
 * 基于单向环形链表实现
 * @param  队列中元素类型
 */
public class LinkedListQueue
        implements Queue, Iterable {

    private static class Node {
        E value;
        Node next;

        public Node(E value, Node next) {
            this.value = value;
            this.next = next;
        }
    }

    private final Node head = new Node<>(null, null);
    private Node tail = head;
    int size = 0;
    private int capacity = Integer.MAX_VALUE;

    {
        tail.next = head;
    }

    public LinkedListQueue() {
    }

    public LinkedListQueue(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }

    @Override
    public boolean offer(E value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        Node added = new Node<>(value, head);
        tail.next = added;
        tail = added;
        size++;
        return true;
    }

    @Override
    public E poll() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        Node first = head.next;
        head.next = first.next;
        if (first == tail) {
            tail = head;
        }
        size--;
        return first.value;
    }

    @Override
    public E peek() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return head.next.value;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return head == tail;
    }

    @Override
    public boolean isFull() {
        return size == capacity;
    }

    @Override
    public Iterator iterator() {
        return new Iterator() {
            Node p = head.next;

            @Override
            public boolean hasNext() {
                return p != head;
            }

            @Override
            public E next() {
                E value = p.value;
                p = p.next;
                return value;
            }
        };
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringJoiner sj = new StringJoiner(",");
        for (E e : this) {
            sj.add(e.toString());
        }
        return sj.toString();
    }
}

数组实现

　　利用移位与相与操作，解决超长队列问题。

代码

import java.util.Iterator;

/**
 * 仅用 head, tail 判断空满, head, tail 需要换算成索引值
 *
 * @param  队列中元素类型
 */
public class ArrayQueue3 implements Queue, Iterable {

    /*
        求模运算：
        - 如果除数是 2 的 n 次方
        - 那么被除数的后 n 位即为余数 (模)
        - 求被除数的后 n 位方法： 与 2^n-1 按位与
     */

    private final E[] array;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;

    @SuppressWarnings("all")
    public ArrayQueue3(int c) {
        // 1. 抛异常
        /*if ((capacity & capacity - 1) != 0) {
            throw new IllegalArgumentException("capacity 必须是2的幂");
        }*/
        // 2. 改成 2^n    13 -> 16   22 -> 32
        int n = (int) (Math.log10(c-1) / Math.log10(2)) + 1;
        array = (E[]) new Object[1 << n];
        /*
            2^4     = 16
            2^4.?   = 30
            2^5     = 32

              (int)log2(30) + 1
            2

            log2(x) = log10(x) / log10(2)

            1
            10      2^1
            100     2^2
            1000    2^3
         */
    }

    /*
        head = 0
        tail = 3  % 3 = 0
        capacity=3

        0   1   2
        d   b   c
     */
    @Override
    public boolean offer(E value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        array[tail & (array.length - 1)] = value;
        tail++;
        return true;
    }

    @Override
    public E poll() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        int idx = head & (array.length - 1);
        E value = array[idx];
        array[idx] = null; // help GC
        head++;
        return value;
    }

    @Override
    public E peek() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return array[head & (array.length - 1)];
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return head == tail;
    }

    @Override
    public boolean isFull() {
        return tail - head == array.length;
    }

    @Override
    public Iterator iterator() {
        return new Iterator() {
            int p = head;

            @Override
            public boolean hasNext() {
                return p != tail;
            }

            @Override
            public E next() {
                E value = array[p & (array.length - 1)];
                p++;
                return value;
            }
        };
    }  
}

补充

　　队列——双端队列

力扣题目

　　二叉树的层序遍历

来源

　　数据结构与算法

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。