数据结构Java实现07----队列：顺序队列&顺序循环队列、链式队列、顺序优先队列

一、队列的概念：

　　队列（简称作队，Queue）也是一种特殊的线性表，队列的数据元素以及数据元素间的逻辑关系和线性表完全相同，其差别是线性表允许在任意位置插入和删除，而队列只允许在其一端进行插入操作在其另一端进行删除操作。

队列中允许进行插入操作的一端称为队尾，允许进行删除操作的一端称为队头。队列的插入操作通常称作入队列，队列的删除操作通常称作出队列。

下图是一个依次向队列中插入数据元素a0,a1,...,an-1后的示意图：

上图中，a0是当前 队头数据元素，an-1是当前 队尾数据元素。

为了避免当只有一个元素时，对头和队尾重合使得处理变得麻烦，所以引入两个指针：front指针指向队头元素，rear指针指向队尾元素的下一个位置，这样的话，当front指针等于rear时，此队列不是还剩一个元素，而是空队列。

二、队列的抽象数据类型：

数据集合：

　　队列的数据集合可以表示为a0,a1,…,an-1，每个数据元素的数据类型可以是任意的类型。

操作集合：

（1）入队列append(obj)：把数据元素obj插入队尾。

（2）出队列delete()：把队头数据元素删除并由函数返回。

（3）取队头数据元素getFront()：取队头数据元素并由函数返回。

（4）非空否isEmpty()：非空否。若队列非空，则函数返回false，否则函数返回true。

三、循环顺序队列：

线性表有顺序存储和链式存储，队列是一种特殊的线性表，同样也存在这两种存储方式。我们先来看一下队列的顺序存储。

1、顺序队列的“假溢出”：

上图中，front指针指向队头元素，rear指针指向队尾元素的下一个位置。图(d)中b、c、d出队后，front指针指向元素e，rear指针在数组外面。假设这个队列的总个数不超过5个，但目前如果接着入队的话，因数组末尾元素已经被占用，再向后加就会产生数组越界的错误，可实际上队列在下标为0、1、2、3、4的地方还是空闲的，我们把这种现象叫做“假溢出”。

2、循环顺序队列：

所以解决假溢出的办法就是后面满了，就再从头开始，也就是头尾相接的循环。我们把队列的这种逻辑上首尾相连的顺序存储结构称为循环队列。

如何判断循环队列究竟是空的还是满的：

　　现在问题又来了，我们之前说，空队列时，front指针等于rear指针，那么现在循环队列满的时候，也是front等于rear，那么如何判断循环队列究竟是空的还是满的？有如下办法：

• 办法1：设置一个标志位flag。初始时置flag=0；每当入队列操作成功就置flag=1；每当出队列操作成功就置flag=0。则队列空的判断条件为：rear == front && tag==0；队列满的判断条件为：rear = = front && tag= =1。

• 办法2：保留一个元素的存储空间。此时，队列满时的判断条件为  (rear + 1) % maxSize == front；队列空的判断条件还是front == rear。
• 办法3：设计一个计数器count，统计队列中的元素个数。此时，队列满的判断条件为：count > 0 && rear == front ；队列空的判断条件为count == 0。

我们在接下来的代码中采用方法3来实现。

3、代码实现：(循环顺序队列的创建)

(1)Queue.java:(队列接口)

 //队列接口
 public interface Queue {

     //入队
     public void append(Object obj) throws Exception;

     //出队
     public Object delete() throws Exception;

     //获得队头元素
     public Object getFront() throws Exception;

     //判断对列是否为空
     public boolean isEmpty();
 }

(2)CircleSequenceQueue.java:（循环顺序队列）

 //循环顺序队列
 public class CircleSequenceQueue implements Queue {

     static final int defaultSize = 10; //默认队列的长度
     int front;  //队头
     int rear;   //队尾
     int count;  //统计元素个数的计数器
     int maxSize; //队的最大长度
     Object[] queue;  //队列

     public CircleSequenceQueue() {
         init(defaultSize);
     }

     public CircleSequenceQueue(int size) {
         init(size);
     }

     public void init(int size) {
         maxSize = size;
         front = rear = 0;
         count = 0;
         queue = new Object[size];
     }

     @Override
     public void append(Object obj) throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         if (count > 0 && front == rear) {
             throw new Exception("队列已满！");
         }
         queue[rear] = obj;
         rear = (rear + 1) % maxSize;
         count++;
     }

     @Override
     public Object delete() throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         if (isEmpty()) {
             throw new Exception("队列为空！");
         }
         Object obj = queue[front];
         front = (front + 1) % maxSize;
         count--;
         return obj;
     }

     @Override
     public Object getFront() throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         if (!isEmpty()) {
             return queue[front];
         } else {
             return null;
         }
     }

     @Override
     public boolean isEmpty() {
         // TODO Auto-generated method stub
         return count == 0;
     }

 }

(3)Test.java:

 public class Test {
     public static void main(String[] args) throws Exception {

         CircleSequenceQueue queue = new CircleSequenceQueue();
         queue.append("a");
         queue.append("b");
         queue.append("c");
         queue.append("d");
         queue.append("e");
         queue.append("f");

         queue.delete();
         queue.delete();

         queue.append("g");

         while (!queue.isEmpty()) {
             System.out.println(queue.delete());
         }
     }
 }

运行效果：

4、循环队列应用：

　　使用顺序循环队列和多线程实现一个排队买票的例子。而且，我们只允许这个队伍中同时排队的只有10个人，那就需要用到队列了。

　　　　生产者（等候买票）

　　　　消费者 (买票离开)

这里面我们需要用到上面的Queue.java类和CircleSequenceQueue.java类。

代码结构：

(3)WindowQueue.java:

 //卖票窗口
 public class WindowQueue {

     //卖票的队列
     int maxSize = 10;
     CircleSequenceQueue queue = new CircleSequenceQueue(maxSize);
     int num = 0; //统计卖票的数量，一天最多卖100张票。
     boolean isAlive = true; //判断是否继续卖票。

     //排队买票
     public synchronized void producer() throws Exception {
         if (queue.count < maxSize) {
             queue.append(num++); //等待买票的数量加1
             System.out.println("第" + num + "个客户排队等待买票！");
             this.notifyAll();//唤醒卖票的线程
         } else {
             try {
                 System.out.println("队列已满...请等待！");
                 this.wait();//队列满时，排队买票线程等待。
             } catch (Exception ex) {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
     }

     //卖票
     public synchronized void consumer() throws Exception {
         if (queue.count > 0) {
             Object obj = queue.delete();
             int temp = Integer.parseInt(obj.toString());
             System.out.println("第" + (temp + 1) + "个客户买到票离开队列！");
             //如果当前队列为空，并且卖出票的数量大于等于100，说明卖票结束
             if (queue.isEmpty() && this.num >= 100) {
                 this.isAlive = false;
             }
             this.notifyAll(); //唤醒排队买票的线程。
         } else {
             try {
                 System.out.println("队列已空...请等待！");
                 this.wait();//队列空时，卖票线程等待。
             } catch (Exception ex) {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
     }
 }

(4)Producer.java:

 //买票者
 public class Producer implements Runnable {

     WindowQueue queue;

     public Producer(WindowQueue queue) {
         this.queue = queue;
     }

     @Override
     public void run() {
         // TODO Auto-generated method stub
         while (queue.num < 100) {
             try {
                 queue.producer();
             } catch (Exception ex) {
                 ex.printStackTrace();
             }
         }
     }

 }

(5)Consumer.java:

//卖票者
public class Consumer implements Runnable {

    WindowQueue queue;

    public Consumer(WindowQueue queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        // TODO Auto-generated method stub
        while (queue.isAlive) {
            try {
                queue.consumer();
            } catch (Exception ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

(6)test.java:

 public class Test {

     public static void main(String[] args) throws Exception {

         WindowQueue queue = new WindowQueue();

         Producer p = new Producer(queue);//注意一定要传同一个窗口对象
         Consumer c = new Consumer(queue);

         //排队买票线程
         Thread pThread = new Thread(p);
         //卖票线程
         Thread cThread = new Thread(c);

         pThread.start(); //开始排队买票
         cThread.start();  //开始卖票
     }

 }

注意第07行的注释。

运行效果：

四、链式队列：

链式队列其实就是特殊的单链表，只不过它只能尾进头出而已。链式队列的存储结构如下图所示：

1、链式队列的实现：

(1)Node.java:结点类

 //结点类
 public class Node {

     Object element; //数据域
     Node next;  //指针域

     //头结点的构造方法
     public Node(Node nextval) {
         this.next = nextval;
     }

     //非头结点的构造方法
     public Node(Object obj, Node nextval) {
         this.element = obj;
         this.next = nextval;
     }

     //获得当前结点的后继结点
     public Node getNext() {
         return this.next;
     }

     //获得当前的数据域的值
     public Object getElement() {
         return this.element;
     }

     //设置当前结点的指针域
     public void setNext(Node nextval) {
         this.next = nextval;
     }

     //设置当前结点的数据域
     public void setElement(Object obj) {
         this.element = obj;
     }

     public String toString() {
         return this.element.toString();
     }
 }

(2)Queue.java:

 //队列接口
 public interface Queue {

     //入队
     public void append(Object obj) throws Exception;

     //出队
     public Object delete() throws Exception;

     //获得队头元素
     public Object getFront() throws Exception;

     //判断对列是否为空
     public boolean isEmpty();
 }

(3)LinkQueue.java:

 public class LinkQueue implements Queue {

     Node front; //队头
     Node rear;  //队尾
     int count; //计数器

     public LinkQueue() {
         init();
     }

     public void init() {
         front = rear = null;
         count = 0;
     }

     @Override
     public void append(Object obj) throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         Node node = new Node(obj, null);

         //如果当前队列不为空。
         if (rear != null) {
             rear.next = node; //队尾结点指向新结点
         }

         rear = node; //设置队尾结点为新结点

         //说明要插入的结点是队列的第一个结点
         if (front == null) {
             front = node;
         }
         count++;
     }

     @Override
     public Object delete() throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         if (isEmpty()) {
             new Exception("队列已空！");
         }
         Node node = front;
         front = front.next;
         count--;
         return node.getElement();
     }

     @Override
     public Object getFront() throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         if (!isEmpty()) {
             return front.getElement();
         } else {
             return null;
         }
     }

     @Override
     public boolean isEmpty() {
         // TODO Auto-generated method stub
         return count == 0;
     }

 }

(4)Test.java:

 public class Test {

     public static void main(String[] args) throws Exception {

         LinkQueue queue = new LinkQueue();
         queue.append("a");
         queue.append("b");
         queue.append("c");
         queue.append("d");
         queue.append("e");
         queue.append("f");

         queue.delete();
         queue.delete();

         queue.append("g");

         while (!queue.isEmpty()) {
             System.out.println(queue.delete());
         }
     }
 }

运行效果：

2、链式队列的应用：

题目：

　　编写一个判断一个字符串是否是回文的算法。

思路：

　　设字符数组str中存放了要判断的字符串。把字符数组中的字符逐个分别存入一个队列和栈中，然后逐个出队和出栈比较出队的字符与出栈的字符是否相同，若全部相等则该字符串为回文。

代码实现：

　　这里面需要用到上面一段中的LinkQueue类。代码结构如下：

(4)Stack.java:栈接口

 //栈接口
 public interface Stack {

     //入栈
     public void push(Object obj) throws Exception;

     //出栈
     public Object pop() throws Exception;

     //获得栈顶元素
     public Object getTop() throws Exception;

     //判断栈是否为空
     public boolean isEmpty();
 }

(5)LinkStack.java:

 public class LinkStack implements Stack {

     Node head;  //栈顶指针
     int size;  //结点的个数

     public LinkStack() {
         head = null;
         size = 0;
     }

     @Override
     public Object getTop() throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         return head.getElement();
     }

     @Override
     public boolean isEmpty() {
         // TODO Auto-generated method stub
         return head == null;
     }

     @Override
     public Object pop() throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         if (isEmpty()) {
             throw new Exception("栈为空！");
         }
         Object obj = head.getElement();
         head = head.getNext();
         size--;
         return obj;

     }

     @Override
     public void push(Object obj) throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         head = new Node(obj, head);
         size++;
     }

 }

(6)Test.java:测试类

 public class Test {

     public static void main(String[] args) throws Exception {

         String str1 = "ABCDCBA"; //是回文
         String str2 = "ABCDECAB"; //不是回文

         try {
             if (Test.isHuiWen(str1)) {
                 System.out.println(str2 + ":是回文！");
             } else {
                 System.out.println(str2 + ":不是回文！");
             }
         } catch (Exception ex) {
             ex.printStackTrace();
         }
     }

     //方法：判断字符串是否回文
     public static boolean isHuiWen(String str) throws Exception {
         int n = str.length();
         LinkStack stack = new LinkStack();//创建堆栈
         LinkQueue queue = new LinkQueue();//创建队列
         for (int i = 0; i < n; i++) {
             stack.push(str.subSequence(i, i + 1)); //把字符串每个字符压进堆栈
             queue.append(str.subSequence(i, i + 1));//把字符串每个字符压入队列
         }
         while (!queue.isEmpty() && !stack.isEmpty()) {
             if (!queue.delete().equals(stack.pop())) {  //出队列，出栈，同时判断是否相同
                 return false;
             }
         }

         return true;
     }

 }

 

3、循环队列和链式队列的比较：

（1）从时间上看，它们的基本操作都是常数时间，即O(1)的。不过循环队列是事先申请好空间，使用期间不释放；而链式队列，每次申请和释放结点也会存在一定的时间开销，如果入栈和出栈比较频繁，则两者还是有细微的差别。

（2）从空间上看，循环队列必须有一个固定的长度，所以就有了存储元素个数和空间浪费的问题。而链式队列不存在这个问题，尽管它需要一个指针域，会产生一些空间上的开销，但也可以接受。所以在空间上，链式队列更加灵活。

总结：总的来说，在可以确定队列长度的最大值的情况下，建议用循环队列，如果你无法估计队列的长度，那就用链式队列。

五、优先级队列：

　　优先级队列是带有优先级的队列。

　　　　用顺序存储结构实现的优先级队列称作顺序优先级队列。

　　　　用链式存储结构存储的优先级队列称作链式优先级队列。

顺序优先级队列和顺序循环队列相比主要有两点不同：

（1）对于顺序优先级队列来说，出队列操作不是把队头数据元素出队列，而是把队列中优先级最高的数据元素出队列。（入队操作没区别）

（2）对于顺序优先级队列来说，数据元素由两部分组成，一部分是原先意义上的数据元素，另一部分是优先级。通常设计优先级为int类型的数值，并规定数值越小优先级越高。

1、顺序优先队列的实现：

设计顺序优先级队列分为两个类：

　　数据元素类

　　优先级队列类

代码实现：

(1)Element.java:

 //优先级队列元素类
 public class Element {

     private Object element; // 数据
     private int priority; // 优先级

     public Element(Object obj, int priority) {
         this.element = obj;
         this.priority = priority;
     }

     public Object getElement() {
         return element;
     }

     public void setElement(Object element) {
         this.element = element;
     }

     public int getPriority() {
         return priority;
     }

     public void setPriority(int priority) {
         this.priority = priority;
     }

 }

(2)Queue.java:

 //队列接口
 public interface Queue {

     //入队
     public void append(Object obj) throws Exception;

     //出队
     public Object delete() throws Exception;

     //获得队头元素
     public Object getFront() throws Exception;

     //判断对列是否为空
     public boolean isEmpty();
 }

(3)PrioritySequenceQueue.java:

 //优先级队列
 public class PrioritySequenceQueue implements Queue {

     static final int defaultSize = 10; //默认队列长度
     int front; //队头
     int rear;  //队尾
     int count;  //计数器
     int maxSize; //队列最大长度
     Element[] queue; //队列

     public PrioritySequenceQueue() {
         init(defaultSize);
     }

     public PrioritySequenceQueue(int size) {
         init(size);
     }

     public void init(int size) {
         maxSize = size;
         front = rear = 0;
         count = 0;
         queue = new Element[size];
     }

     @Override
     public void append(Object obj) throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         //如果队列已满
         if (count >= maxSize) {
             throw new Exception("队列已满！");
         }
         queue[rear] = (Element) obj;
         rear++;
         count++;
     }

     @Override
     public Object delete() throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         if (isEmpty()) {
             throw new Exception("队列为空！");
         }
         //默认第一个元素为优先级最高的。
         Element min = queue[0];
         int minIndex = 0;
         for (int i = 0; i < count; i++) {
             if (queue[i].getPriority() < min.getPriority()) {
                 min = queue[i];
                 minIndex = i;
             }
         }

         //找的优先级别最高的元素后，把该元素后面的元素向前移动。
         for (int i = minIndex + 1; i < count; i++) {
             queue[i - 1] = queue[i]; //移动元素
         }
         rear--;
         count--;
         return min;
     }

     @Override
     public Object getFront() throws Exception {
         // TODO Auto-generated method stub
         if (isEmpty()) {
             throw new Exception("队列为空！");
         }
         //默认第一个元素为优先级最高的。
         Element min = queue[0];
         int minIndex = 0;
         for (int i = 0; i < count; i++) {
             if (queue[i].getPriority() < min.getPriority()) {
                 min = queue[i];
                 minIndex = i;
             }
         }
         return min;
     }

     @Override
     public boolean isEmpty() {
         // TODO Auto-generated method stub
         return count == 0;
     }

 }

2、代码测试：

　　设计一个程序模仿操作系统的进程管理问题。进程服务按优先级高的先服务，优先级相同的先到先服务的原则管理。

　　模仿数据包含两个部分：进程编号和优先级。如下有五个进程：

　　　　1      30

　　　　2      20

　　　　3      40

　　　　4      20

　　　　5      0       ----------优先级最高，先服务

(4)Test.java:

 public class Test {

     public static void main(String[] args) throws Exception {

         PrioritySequenceQueue queue = new PrioritySequenceQueue();
         Element temp;

         //五个进程入队
         queue.append(new Element(1, 30));
         queue.append(new Element(2, 20));
         queue.append(new Element(3, 40));
         queue.append(new Element(4, 20));
         queue.append(new Element(5, 0));

         //按照优先级出队。
         System.out.println("编号  优先级");
         while (!queue.isEmpty()) {
             temp = (Element) queue.delete();
             System.out.println(temp.getElement() + " " + temp.getPriority());
         }
     }
 }

运行效果：