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：
转载自：https://www.cnblogs.com/smyhvae/p/4793339.html