一文详解「队列」，手撸队列的3种方法！

前面我们介绍了栈（Stack），队列和栈是比较像的一种数据结构。我们可以想象有很多辆汽车正在通过单行道的隧道，所有车辆不能插队、不能掉头，先进来的车也先出去，我们可以把这种特征的数据结构称之为队列。

队列也属于逻辑结构，所谓的物理结构是指可以将数据存储在物理空间中，比如数组和链表都属于物理数据结构；而逻辑结构则是用于描述数据间的逻辑关系的，它可以由多种不同的物理结构来实现，比如队列和栈都属于逻辑结构。

队列特性

队列中的元素必须是先进先出（First In First Out，FIFO）的，它有两个重要的方法：入队（enqueue）和出队（dequeue）。队列的入口端叫队尾（rear），出口端叫队头（front），如下图所示：

手撸队列

学习了队列的基本知识之后，接下来我们将使用代码来实现一个队列。

首先我们先使用数组来实现一个队列，它的结构如下图所示：

1.自定义队列—数组

public class MyQueue<E> {

private Object[] queue; // 存储容器
private int head; // 头部指针
private int tail; // 尾部指针
private int size; // 队列实际存储长度
private int maxSize; // 最大容量

public MyQueue() {
// 无参构造函数，设置默认参数
this.maxSize = 10;
this.head = 0;
this.tail = -1;
this.size = 0;
this.queue = new Object[this.maxSize];
}

public MyQueue(int initSize) {
// 有参构造函数，设置参数
this.maxSize = initSize;
this.head = 0;
this.tail = -1;
this.size = 0;
this.queue = new Object[this.maxSize];
}

/**
* 查询队头元素
*/
public E peek() throws Exception {
if (size == 0) {
throw new Exception("队列中暂无数据");
}
return (E) this.queue[this.head];
}

/**
* 入列
*/
public boolean offer(E e) throws Exception {
if (tail >= (maxSize - 1)) {
throw new Exception("添加失败，队列已满");
}
this.queue[++tail] = e;
size++;
return true;
}

/**
* 出列
*/
public E poll() throws Exception {
if (size == 0) {
throw new Exception("删除失败，队列为空");
}
size--;
return (E) this.queue[head++];
}

/**
* 代码测试
*/
public static void main(String[] args) throws Exception {
MyQueue queue = new MyQueue();
queue.offer("Hello");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.peek());
queue.poll();
System.out.println(queue.poll());
}
}

以上代码的执行结果如下：

Hello

Java

2.自定义队列—链表

用链表实现队列的数据结构如下图所示：

实现代码如下：

public class QueueByLinked {

/**
* 声明链表节点
*/
static class Node<E> {
E item; // 当前的值

Node<E> next; // 下一个节点

Node(E e) {
this.item = e;
}
}

private Node firstNode; // 队头元素
private Node lastNode; // 队尾元素
private int size; // 队列实际存储数量
private int maxSize; // 队列最大容量

public QueueByLinked(int maxSize) {
if (maxSize <= 0) throw new RuntimeException("队列最大容量不能为空");
// 默认初始化函数
firstNode = lastNode = new Node(null);
this.size = 0;
this.maxSize = maxSize;
}

/**
* 判断队列是否为空
*/
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}

/**
* 入列
*/
public void offer(Object e) {
// 最大值效验
if (maxSize <= size) throw new RuntimeException("队列已满");
Node node = new Node(e);
lastNode = lastNode.next = node; // 设置最后一个节点和倒数第二个节点的 next
size++; // 队列数量 +1
}

/**
* 出列
*/
public Node poll() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("队列为空");
size--; // 队列数量 -1
return firstNode = firstNode.next; // 设置并返回队头元素（第一个节点是 null，当前元素则为 Node.next）
}

/**
* 查询队头元素
*/
public Node peek() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("队列为空");
return firstNode.next; // 返回队头元素（第一个节点是 null，当前元素则为 Node.next）
}

/**
* 代码测试
*/
public static void main(String[] args) {
QueueByLinked queue = new QueueByLinked(10);
queue.offer("Hello");
queue.offer("JDK");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.poll().item);
System.out.println(queue.poll().item);
System.out.println(queue.poll().item);
}
}

以上代码的执行结果如下：

Hello

JDK

Java

3.扩展：使用 List 实现自定义队列

除了以上两种方式之外，我们还可以使用 Java 自身的数据结构来实现队列，比如 List，我们这里提供一个实现的思路（但并不建议在实际工作中使用），实现代码如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
* 自定义队列（List方式）
*/
public class QueueByList<E> {

private List value; // 队列存储容器

public QueueByList() {
// 初始化
value = new ArrayList();
}

/**
* 判断队列是否为空
*/
public boolean isEmpty() {
return value.size() == 0;
}

/**
* 入列
*/
public void offer(Object e) {
value.add(e);
}

/**
* 出列
*/
public E poll() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("队列为空");
E item = (E) value.get(0);
value.remove(0);
return item;
}

/**
* 查询队头元素
*/
public E peek() {
if (isEmpty()) throw new RuntimeException("队列为空");
return (E) value.get(0);
}

/**
* 代码测试
*/
public static void main(String[] args) {
QueueByList queue = new QueueByList();
queue.offer("Hello");
queue.offer("JDK");
queue.offer("Java");
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll());
System.out.println(queue.poll());
}
}

以上代码的执行结果如下：

Hello

JDK

Java

队列使用场景

队列的常见使用场景有：

• 存储多线程中等待排队执行的任务；
• 存储多线程公平锁中等待执行任务的线程；
• 常见消息中间件的任务队列等。

总结

通过以上三种队列的实现方式我们可以看出，任意容器都是可以用来实现队列（Queue）的，只要保证队列的元素先进先出（FIFO），并且在实现类中需要包含队列的四个核心方法：入列、出列、查询队列是否为空、返回队头元素等，就可以称为实现了一个自定义的队列。

最后，给大家留一个问题：队列的类型都有哪些？欢迎评论区留言，我会在下篇文章中给出答案。欢迎关注我，每天和你一起进步一点点~

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