数据结构与算法系列七（队列）
小杨【0和1】 人气:01.引子
1.1.为什么要学习数据结构与算法？
有人说，数据结构与算法，计算机网络，与操作系统都一样，脱离日常开发，除了面试这辈子可能都用不到呀！
有人说，我是做业务开发的，只要熟练API，熟练框架，熟练各种中间件，写的代码不也能“飞”起来吗？
于是问题来了：为什么还要学习数据结构与算法呢？
#理由一：
面试的时候，千万不要被数据结构与算法拖了后腿
#理由二：
你真的愿意做一辈子CRUD Boy吗
#理由三：
不想写出开源框架，中间件的工程师，不是好厨子
1.2.如何系统化学习数据结构与算法？
我想好了，还是需要学习数据结构与算法。但是我有两个困惑：
1.如何着手学习呢？
2.有哪些内容要学习呢？
学习方法推荐：
#学习方法 1.从基础开始，系统化学习 2.多动手，每一种数据结构与算法，都自己用代码实现出来 3.思路更重要：理解实现思想，不要背代码 4.与日常开发结合，对应应用场景
学习内容推荐：
数据结构与算法内容比较多，我们本着实用原则，学习经典的、常用的数据结构、与常用算法
#学习内容：
1.数据结构的定义
2.算法的定义
3.复杂度分析
4.常用数据结构
数组、链表、栈、队列
散列表、二叉树、堆
跳表、图
5.常用算法
递归、排序、二分查找
搜索、哈希、贪心、分治
动态规划、字符串匹配
2.考考你
你还记得在数组那一篇中，我们说过基于线性表的数据结构有哪些吗？它们是：数组、链表、栈、队列。
上一篇【数据结构与算法系列六（栈）】中，我们已经详细了解了栈这种数据结构：栈是一种操作受限的数据结构。队列是基于线性表的数据结构中，最后一种了，很巧！它也是一种操作受限的数据结构。
队列同样可以基于数组实现：顺序队列；也可以基于链表实现：链式队列。
那么问题来了：具体如何实现一个队列呢？它都有哪些应用场景呢？
#考考你： 1.你能用自己的话描述队列吗？ 2.你知道常见的队列分类吗？ 3.你知道队列代码实现的关键吗？ 4.你知道如何实现一个循环队列吗？ 5.你知道队列的常见的应用场景吗？
3.案例
3.1.队列的定义
队列是一种基于线性表的数据结构，与栈一样，都是操作受限的数据结构。栈的特点是后进先出，而队列的特点是先进先出（FIFO），就像我们平常在火车站排队候车一样。
队列有两头：队头，和队尾。从队头出队元素，在队尾入队新的元素。
3.2.代码实现
顺序队列代码：
package com.anan.struct.linetable;
/**
* 顺序队列：基于数组实现
* @param <E>
*/
public class ArrayQueue<E> {
private Object[] items;
private int n;
// 队列需要两个下标：对头下标索引、队尾下标索引
private int head;
private int tail;
public ArrayQueue(int capacity){
this.items = new Object[capacity];
this.n = capacity;
}
/**
* 入队操作：
*/
public boolean enqueue(E e){
// 检查队列是否满
// 队列满条件 tail==n && head == 0
if(tail == n){
// 检查对头是否没有出队
if(head == 0){
return false;
}
// 如果已经有元素出队，则向对头移动数据
for (int i = head; i < tail ; i++) {
items[i - head] = items[i];
}
tail = tail - head;
head = 0;
}
// 入队
items[tail] = e;
tail ++;
return true;
}
/**
* 出队操作：
*/
public E dequeue(){
// 检查队列是否空
// 队列空条件：head == tail
if(head == tail){
return null;
}
// 出队
E e = (E)items[head];
head ++;
return e;
}
}
测试代码：
package com.anan.struct.linetable;
/**
* 测试队列
*/
public class ArrayQueueTest {
public static void main(String[] args) {
// 1.创建队列
int capacity = 10;
ArrayQueue<Integer> queue = new ArrayQueue<Integer>(capacity);
System.out.println("1.创建队列---------队列容量：" + capacity);
// 2.入队操作
System.out.println("2.入队操作---------");
int count = 5;
for (int i = 0; i < count; i++) {
queue.enqueue(i);
System.out.println("入队元素：" + i);
}
// 3.出队操作
System.out.println("3.出队操作---------");
for (int i = 0; i < count; i++) {
System.out.println("出队元素：" + queue.dequeue());
}
}
}
测试结果：
D:\02teach\01soft\jdk8\bin\java com.anan.struct.linetable.ArrayQueueTest 1.创建队列---------队列容量：10 2.入队操作--------- 入队元素：0 入队元素：1 入队元素：2 入队元素：3 入队元素：4 3.出队操作--------- 出队元素：0 出队元素：1 出队元素：2 出队元素：3 出队元素：4 Process finished with exit code 0
3.3.循环队列代码实现
package com.anan.struct.linetable;
/**
* 循环队列
*/
public class CircularQueue<E> {
private Object[] items;
private int n;
// 队头、对尾指针
private int head;
private int tail;
public CircularQueue(int capacity){
items = new Object[capacity];
n = capacity;
}
/**
* 入队操作
*/
public boolean enqueue(E e){
// 判断队列是否满
// 队列满条件：(tail + 1) % n == head
if((tail + 1) % n == head){
return false;
}
items[tail] = e;
tail = (tail + 1) % n;
return true;
}
/**
* 出队操作
*/
public E dequeue(){
// 判断队列是否空
// 队列空条件：tail == head
if(tail == head){
return null;
}
E e = (E)items[head];
head = (head + 1) % n;
return e;
}
}
4.讨论分享
#考考你答案：
1.你能用自己的话描述队列吗？
1.1.队列是基于线性表的数据结构
1.2.队列是一种操作受限的数据结构
1.3.队列满足先进先出（FIFO）的特点
1.4.队列在队头出队元素，在队尾入队元素
2.你知道常见的队列分类吗？
2.1.从底层数据结构分类有：顺序队列、链式队列
2.2.从实现特点分类有：循环队列、阻塞队列、并发队列
3.你知道队列代码实现的关键吗？
3.1.队列满足先进先出（FIFO）特点
3.2.队列在队头出队元素，在队尾入队元素
3.3.实现队列的关键：
a.需要两个指针：head、tail分别指向队头和队尾
b.入队时，判断队列满条件：tail == n && head == 0
c.出队时，判断队列空条件：tail == head
4.你知道如何实现一个循环队列吗？
4.1.在案例中，基于数组实现了一个普通的队列
4.2.入队操作的时候，如果队列满，需要移动数据
// 如果队列满，且已经有元素出队，则向对头移动数据
for (int i = head; i < tail ; i++) {
items[i - head] = items[i];
}
4.3.这样会将入队操作，时间复杂度从O(1)，转变成O(n)，执行效率下降
4.4.有没有更好的方式，保持入队操作的时间复杂度为O(1)不变呢？
4.5.答案是：通过循环队列来实现
4.6.关于循环队列的代码，你可以参考【3.3】循环队列实现
4.7.重点关注队列满的条件：(tail + 1) % n == head
4.8.看你是否能理解，欢迎留言我们一起讨论
5.你知道队列的常见的应用场景吗？
5.1.队列主要针对有限资源控制的应用场景
5.2.比如数据库连接池的应用
5.3.比如线程池的应用
5.4.如果你有兴趣，可以看一下JUC中线程池的底层实现
5.5.JUC线程池的底层，应用了：阻塞队列
5.6.通过队列还能实现：生产者---消费者模型
JUC创建线程池：
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