【栈和队列】5、队列概述与数组队列的基本实现 - Java

3-5 数组队列

简单记录 - bobo老师的玩转算法系列–玩转数据结构 - 栈和队列

队列Queue

• 队列也是一种线性结构
• 相比数组，队列对应的操作是数组的子集
• 只能从一端（队尾）添加元素，只能从另一端（队首）取出元素 先进先出

队尾 队首

• 队列是一种先进先出的数据结构（先到先得）

• First In First Out（FIFO）

队列

Queue<E>

• void enqueue(E)
• E dequeue()
• E getFront()
• int getSize()
• boolean isEmpty()

enqueue(E)入队 dequeue()出队

getFront()得到队首元素 getSize()得到总共元素的个数

isEmpty()队列是否为空

从用户的角度看，支持这些操作就好

具体底层实现，用户不关心

实际底层有多种实现方式

我们开发者要深入理解、实现

那就去实现队列吧

ArrayQueue<E> implement Interface Queue<E>

• void enqueue(E)
• E dequeue()
• E getFront()
• int getSize()
• boolean isEmpty()

ArrayQueue实现了Queue接口

实践 ： 数组队列的实现

动态数组 Array

public class Array<E> {

    private E[] data;
    private int size;

    // 构造函数，传入数组的容量capacity构造Array
    public Array(int capacity){
        data = (E[])new Object[capacity];
        size = 0;
    }

    // 无参数的构造函数，默认数组的容量capacity=10
    public Array(){
        this(10);
    }

    // 获取数组的容量
    public int getCapacity(){
        return data.length;
    }

    // 获取数组中的元素个数
    public int getSize(){
        return size;
    }

    // 返回数组是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    // 在index索引的位置插入一个新元素e
    public void add(int index, E e){

        if(index < 0 || index > size)
            throw new IllegalArgumentException("Add failed. Require index >= 0 and index <= size.");

        if(size == data.length)
            resize(2 * data.length);

        for(int i = size - 1; i >= index ; i --)
            data[i + 1] = data[i];

        data[index] = e;

        size ++;
    }

    // 向所有元素后添加一个新元素
    public void addLast(E e){
        add(size, e);
    }

    // 在所有元素前添加一个新元素
    public void addFirst(E e){
        add(0, e);
    }

    // 获取index索引位置的元素
    public E get(int index){
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Get failed. Index is illegal.");
        return data[index];
    }

    public E getLast(){
        return get(size - 1);
    }

    public E getFirst(){
        return get(0);
    }

    // 修改index索引位置的元素为e
    public void set(int index, E e){
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Set failed. Index is illegal.");
        data[index] = e;
    }

    // 查找数组中是否有元素e
    public boolean contains(E e){
        for(int i = 0 ; i < size ; i ++){
            if(data[i].equals(e))
                return true;
        }
        return false;
    }

    // 查找数组中元素e所在的索引，如果不存在元素e，则返回-1
    public int find(E e){
        for(int i = 0 ; i < size ; i ++){
            if(data[i].equals(e))
                return i;
        }
        return -1;
    }

    // 从数组中删除index位置的元素, 返回删除的元素
    public E remove(int index){
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Remove failed. Index is illegal.");

        E ret = data[index];
        for(int i = index + 1 ; i < size ; i ++)
            data[i - 1] = data[i];
        size --;
        data[size] = null; // loitering objects != memory leak

        if(size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0)
            resize(data.length / 2);
        return ret;
    }

    // 从数组中删除第一个元素, 返回删除的元素
    public E removeFirst(){
        return remove(0);
    }

    // 从数组中删除最后一个元素, 返回删除的元素
    public E removeLast(){
        return remove(size - 1);
    }

    // 从数组中删除元素e
    public void removeElement(E e){
        int index = find(e);
        if(index != -1)
            remove(index);
    }

    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append(String.format("Array: size = %d , capacity = %d\n", size, data.length));
        res.append('[');
        for(int i = 0 ; i < size ; i ++){
            res.append(data[i]);
            if(i != size - 1)
                res.append(", ");
        }
        res.append(']');
        return res.toString();
    }

    // 将数组空间的容量变成newCapacity大小
    private void resize(int newCapacity){

        E[] newData = (E[])new Object[newCapacity];
        for(int i = 0 ; i < size ; i ++)
            newData[i] = data[i];
        data = newData;
    }
}

队列接口 Queue interface

public interface Queue<E> {

    int getSize();
    boolean isEmpty();
    void enqueue(E e);
    E dequeue();
    E getFront();
}

数组队列的实现 ArrayQueue

public class ArrayQueue<E> implements Queue<E> {

    private Array<E> array;

    public ArrayQueue(int capacity){
        array = new Array<>(capacity);
    }

    public ArrayQueue(){
        array = new Array<>();
    }

    @Override
    public int getSize(){
        return array.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return array.isEmpty();
    }

    public int getCapacity(){
        return array.getCapacity();
    }

    @Override
    public void enqueue(E e){
        array.addLast(e);
    }

    @Override
    public E dequeue(){
        return array.removeFirst();
    }

    @Override
    public E getFront(){
        return array.getFirst();
    }

    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("Queue: ");
        res.append("front [");
        for(int i = 0 ; i < array.getSize() ; i ++){
            res.append(array.get(i));
            if(i != array.getSize() - 1)
                res.append(", ");
        }
        res.append("] tail");
        return res.toString();
    }

}

测试

Main

/**
 * @author Liu Awen Email:willowawen@gmail.com
 * @create 2020-02-16 0:02
 */
public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        ArrayQueue<Integer> queue = new ArrayQueue<>();
        for(int i = 0 ; i < 5 ; i ++){
            queue.enqueue(i);
            System.out.println(queue);
        }
        System.out.println("-----------");
        System.out.println("isEmpty：" + queue.isEmpty());
        System.out.println("Size：" +  queue.getSize());
        System.out.println(queue);
        System.out.println("队首元素：" + queue.getFront());
        System.out.println(queue);
        System.out.println("----------");
        for(int i = 0 ; i < 5 ; i ++){
            System.out.println(queue);
            queue.dequeue();
        }
        System.out.println(queue);
    }
}

Result

D:\Environments\jdk-11.0.2\bin\java.exe -javaagent:D:\Java\ideaIU-2019.2.win\lib\idea_rt.jar=1352:D:\Java\ideaIU-2019.2.win\bin -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath D:\IdeaProjects\imooc\Play-with-Data-Structures\03-Stacks-and-Queues\05-Array-Queue\target\classes Main
Queue: front [0] tail
Queue: front [0, 1] tail
Queue: front [0, 1, 2] tail
Queue: front [0, 1, 2, 3] tail
Queue: front [0, 1, 2, 3, 4] tail
-----------
isEmpty：false
Size：5
Queue: front [0, 1, 2, 3, 4] tail
队首元素：0
Queue: front [0, 1, 2, 3, 4] tail
----------
Queue: front [0, 1, 2, 3, 4] tail
Queue: front [1, 2, 3, 4] tail
Queue: front [2, 3, 4] tail
Queue: front [3, 4] tail
Queue: front [4] tail
Queue: front [] tail

Process finished with exit code 0

队列先进先出

数组队列的复杂度分析

ArrayQueue<E>

• void enqueue(E) O(1) 均摊
• E dequeue() O(n)
• E getFront() O(1)
• int getSize() O(1)
• boolean isEmpty() O(1)