数据结构与算法系列七(队列)

2019/04/10 10:10
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1.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。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

 

原文出处:https://www.cnblogs.com/itall/p/12394980.html

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