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一.队列概述

1.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。习惯来说，添加的一端称为尾，移除的一端称为头，就如同生活中的排队买商品

先定义一个简化的队列接口

public interface Queue<E> {/*** 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();
}

2.链表实现

下面以单向环形带哨兵链表方式来实现队列

代码

public class LinkedListQueue<E>implements Queue<E>, Iterable<E> {private static class Node<E> {E value;Node<E> next;public Node(E value, Node<E> next) {this.value = value;this.next = next;}}private Node<E> head = new Node<>(null, null);private Node<E> tail = head;private int size = 0;private int capacity = Integer.MAX_VALUE;{tail.next = head;}public LinkedListQueue() {}public LinkedListQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;}@Overridepublic boolean offer(E value) {if (isFull()) {return false;}Node<E> added = new Node<>(value, head);tail.next = added;tail = added;size++;return true;}@Overridepublic E poll() {if (isEmpty()) {return null;}Node<E> first = head.next;head.next = first.next;if (first == tail) {tail = head;}size--;return first.value;}@Overridepublic E peek() {if (isEmpty()) {return null;}return head.next.value;}@Overridepublic boolean isEmpty() {return head == tail;}@Overridepublic boolean isFull() {return size == capacity;}@Overridepublic Iterator<E> iterator() {return new Iterator<E>() {Node<E> p = head.next;@Overridepublic boolean hasNext() {return p != head;}@Overridepublic E next() {E value = p.value;p = p.next;return value;}};}
}

3.环形数组实现

好处

1. 对比普通数组，起点和终点更为自由，不用考虑数据移动
2. “环”意味着不会存在【越界】问题
3. 数组性能更佳
4. 环形数组比较适合实现有界队列、RingBuffer 等

下标计算

例如，数组长度是 5，当前位置是 3 ，向前走 2 步，此时下标为 $(3+2)\%5=0$

$$(cur+step)\%length$$

• cur 当前指针位置
• step 前进步数
• length 数组长度

注意：

• 如果 step = 1，也就是一次走一步，可以在 >= length 时重置为 0 即可

判断空

判断满

满之后的策略可以根据业务需求决定

• 例如我们要实现的环形队列，满之后就拒绝入队

代码

public class ArrayQueue<E> implements Queue<E>, Iterable<E>{private int head = 0;private int tail = 0;private final E[] array;private final int length;@SuppressWarnings("all")public ArrayQueue(int capacity) {length = capacity + 1;array = (E[]) new Object[length];}@Overridepublic boolean offer(E value) {if (isFull()) {return false;}array[tail] = value;tail = (tail + 1) % length;return true;}@Overridepublic E poll() {if (isEmpty()) {return null;}E value = array[head];head = (head + 1) % length;return value;}@Overridepublic E peek() {if (isEmpty()) {return null;}return array[head];}@Overridepublic boolean isEmpty() {return tail == head;}@Overridepublic boolean isFull() {return (tail + 1) % length == head;}@Overridepublic Iterator<E> iterator() {return new Iterator<E>() {int p = head;@Overridepublic boolean hasNext() {return p != tail;}@Overridepublic E next() {E value = array[p];p = (p + 1) % array.length;return value;}};}
}

判断空、满方法 2

引入 size

public class ArrayQueue2<E> implements Queue<E>, Iterable<E> {private int head = 0;private int tail = 0;private final E[] array;private final int capacity;private int size = 0;@SuppressWarnings("all")public ArrayQueue2(int capacity) {this.capacity = capacity;array = (E[]) new Object[capacity];}@Overridepublic boolean offer(E value) {if (isFull()) {return false;}array[tail] = value;tail = (tail + 1) % capacity;size++;return true;}@Overridepublic E poll() {if (isEmpty()) {return null;}E value = array[head];head = (head + 1) % capacity;size--;return value;}@Overridepublic E peek() {if (isEmpty()) {return null;}return array[head];}@Overridepublic boolean isEmpty() {return size == 0;}@Overridepublic boolean isFull() {return size == capacity;}@Overridepublic Iterator<E> iterator() {return new Iterator<E>() {int p = head;@Overridepublic boolean hasNext() {return p != tail;}@Overridepublic E next() {E value = array[p];p = (p + 1) % capacity;return value;}};}
}

判断空、满方法 3

• head 和 tail 不断递增，用到索引时，再用它们进行计算，两个问题

  • 如何保证 head 和 tail 自增超过正整数最大值的正确性

  • 如何让取模运算性能更高

• 答案：让 capacity 为 2 的幂

public class ArrayQueue3<E> implements Queue<E>, Iterable<E> {private int head = 0;private int tail = 0;private final E[] array;private final int capacity;@SuppressWarnings("all")public ArrayQueue3(int capacity) {if ((capacity & capacity - 1) != 0) {throw new IllegalArgumentException("capacity 必须为 2 的幂");}this.capacity = capacity;array = (E[]) new Object[this.capacity];}@Overridepublic boolean offer(E value) {if (isFull()) {return false;}array[tail & capacity - 1] = value;tail++;return true;}@Overridepublic E poll() {if (isEmpty()) {return null;}E value = array[head & capacity - 1];head++;return value;}@Overridepublic E peek() {if (isEmpty()) {return null;}return array[head & capacity - 1];}@Overridepublic boolean isEmpty() {return tail - head == 0;}@Overridepublic boolean isFull() {return tail - head == capacity;}@Overridepublic Iterator<E> iterator() {return new Iterator<E>() {int p = head;@Overridepublic boolean hasNext() {return p != tail;}@Overridepublic E next() {E value = array[p & capacity - 1];p++;return value;}};}
}

二.队列刷题

1.二叉树的层序遍历-力扣 102 题

输入：root = [3,9,20,null,null,15,7]
输出：[[3],[9,20],[15,7]]

private static List<List<Integer>> getLists(TreeNode root) {List<List<Integer>> result = new ArrayList<>();if (root == null) {return result;}LinkedListQueue<TreeNode> queue = new LinkedListQueue<>();queue.offer(root);int c1 = 1;while (!queue.isEmpty()) {List<Integer> level = new ArrayList<>(); // 保存每一层结果int c2 = 0;for (int i = 0; i < c1; i++) {TreeNode n = queue.poll();level.add(n.val);if (n.left != null) {queue.offer(n.left);c2++;}if (n.right != null) {queue.offer(n.right);c2++;}}result.add(level);c1 = c2;}return result;
}

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