Java队列存储结构及实现

一、队列（Queue）

队列是一种特殊的线性表，它只允许在表的前段（front）进行删除操作，只允许在表的后端（rear）进行插入操作。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

对于一个队列来说，每个元素总是从队列的rear端进入队列，然后等待该元素之前的所有元素出队之后，当前元素才能出对，遵循先进先出（FIFO）原则。

如果队列中不包含任何元素，该队列就被称为空队列。

Java提供了一个Queue接口，并为该接口提供了众多的实现类：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue、PriorityQueue、ConcurrentLinkedQueue和SynchronousQueue。

其中常用的是：ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue和CurrentLinkedQueue，它们都是线程安全的队列。LinkedBlockingQueue队列的吞吐量通常比ArrayBlockingQueue队列高，但在大多数并发应用程序中，LinkedBlockingQueue的性能要低。

除了LinkedBlockingQueue队列之外，JDK还提供了另外一种链队列ConcurrentLinkedQueue，它基于一种先进的、无等待（wait-free）队列算法实现。

二、顺序队列存储结构的实现

 package com.ietree.basic.datastructure.queue;

 import java.util.Arrays;

 /**
  * Created by ietree
  * 2017/4/29
  */
 public class SequenceQueue<T> {

     private int DEFAULT_SIZE = 10;
     // 保存数组的长度
     private int capacity;
     // 定义一个数组用于保存顺序队列的元素
     private Object[] elementData;
     // 保存顺序队列中元素的当前个数
     private int front = 0;
     private int rear = 0;

     // 以默认数组长度创建空顺序队列
     public SequenceQueue() {

         capacity = DEFAULT_SIZE;
         elementData = new Object[capacity];

     }

     // 以一个初始化元素来创建顺序队列
     public SequenceQueue(T element) {

         this();
         elementData[0] = element;
         rear++;

     }

     /**
      * 以指定长度的数组来创建顺序线性表
      *
      * @param element  指定顺序队列中第一个元素
      * @param initSize 指定顺序队列底层数组的长度
      */
     public SequenceQueue(T element, int initSize) {

         this.capacity = initSize;
         elementData = new Object[capacity];
         elementData[0] = element;
         rear++;
     }

     /**
      * 获取顺序队列的大小
      *
      * @return 顺序队列的大小值
      */
     public int length() {

         return rear - front;

     }

     /**
      * 插入队列
      *
      * @param element 入队列的元素
      */
     public void add(T element) {

         if (rear > capacity - 1) {
             throw new IndexOutOfBoundsException("队列已满异常");
         }
         elementData[rear++] = element;

     }

     /**
      * 移除队列
      *
      * @return 出队列的元素
      */
     public T remove() {

         if (empty()) {
             throw new IndexOutOfBoundsException("空队列异常");
         }

         // 保留队列的rear端的元素的值
         T oldValue = (T) elementData[front];
         // 释放队列顶元素
         elementData[front++] = null;
         return oldValue;

     }

     // 返回队列顶元素，但不删除队列顶元素
     public T element() {

         if (empty()) {
             throw new IndexOutOfBoundsException("空队列异常");
         }
         return (T) elementData[front];

     }

     // 判断顺序队列是否为空
     public boolean empty() {

         return rear == front;

     }

     // 清空顺序队列
     public void clear() {

         // 将底层数组所有元素赋值为null
         Arrays.fill(elementData, null);
         front = 0;
         rear = 0;

     }

     public String toString() {

         if (empty()) {

             return "[]";

         } else {

             StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
             for (int i = front; i < rear; i++) {
                 sb.append(elementData[i].toString() + ", ");
             }
             int len = sb.length();
             return sb.delete(len - 2, len).append("]").toString();
         }

     }

 }

测试类：

 package com.ietree.basic.datastructure.queue;

 /**
  * Created by ietree
  * 2017/4/30
  */
 public class SequenceQueueTest {

     public static void main(String[] args) {

         SequenceQueue<String> queue = new SequenceQueue<String>();
         // 依次将4个元素加入到队列中
         queue.add("aaaa");
         queue.add("bbbb");
         queue.add("cccc");
         queue.add("dddd");
         System.out.println(queue);

         System.out.println("访问队列的front端元素：" + queue.element());

         System.out.println("第一次弹出队列的front端元素：" + queue.remove());

         System.out.println("第二次弹出队列的front端元素：" + queue.remove());

         System.out.println("两次remove之后的队列：" + queue);
     }

 }

程序输出：

[dddd, cccc, bbbb, aaaa]
访问栈顶元素：dddd
第一次弹出栈顶元素：dddd
第二次弹出栈顶元素：cccc
两次pop之后的栈：[bbbb, aaaa]

三、队列的链式存储结构实现

 package com.ietree.basic.datastructure.queue;

 /**
  * Created by ietree
  * 2017/4/30
  */
 public class LinkQueue<T> {

     // 定义一个内部类Node，Node实例代表链队列的节点
     private class Node {

         // 保存节点的数据
         private T data;
         // 指向下个节点的引用
         private Node next;

         // 无参构造器
         public Node() {
         }

         // 初始化全部属性的构造器
         public Node(T data, Node next) {

             this.data = data;
             this.next = next;

         }

     }

     // 保存该链队列的头节点
     private Node front;
     // 保存该链队列的尾节点
     private Node rear;
     // 保存该链队列中已包含的节点数
     private int size;

     // 创建空链队列
     public LinkQueue() {
         // 空链队列，front和rear的值都为null
         front = null;
         rear = null;
     }

     // 以指定数据元素来创建链队列，该链队列只有一个元素
     public LinkQueue(T element) {

         front = new Node(element, null);
         // 只有一个节点，front、rear都是指向该节点
         rear = front;
         size++;

     }

     // 返回链队列的长度
     public int length() {

         return size;

     }

     // 将新元素加入队列
     public void add(T element) {
         // 如果该链队列还是空链队列
         if (front == null) {
             front = new Node(element, null);
             // 只有一个节点，front、rear都是指向该节点
             rear = front;
         } else {
             // 创建新节点
             Node newNode = new Node(element, null);
             // 让尾节点的next指向新增的节点
             rear.next = newNode;
             rear = newNode;
         }
         size++;
     }

     // 删除队列front端的元素
     public T remove() {

         Node oldfront = front;
         // 让front引用指向原队列顶元素的下一个元素
         front = front.next;
         // 释放原队列顶元素的next引用
         oldfront.next = null;
         size--;
         return oldfront.data;

     }

     // 访问队列顶元素，但不删除队列顶元素
     public T element() {

         return rear.data;

     }

     // 判断链队列是否为空队列
     public boolean empty() {

         return size == 0;

     }

     // 请空链队列
     public void clear() {
         // 将front、rear两个节点赋为null
         front = null;
         rear = null;
         size = 0;
     }

     public String toString() {

         // 链队列为空队列时
         if (empty()) {
             return "[]";
         } else {
             StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
             for (Node current = front; current != null; current = current.next) {
                 sb.append(current.data.toString() + ", ");
             }
             int len = sb.length();
             return sb.delete(len - 2, len).append("]").toString();
         }

     }

 }

测试类：

 package com.ietree.basic.datastructure.queue;

 /**
  * Created by ietree
  * 2017/4/30
  */
 public class LinkQueueTest {

     public static void main(String[] args) {

         LinkQueue<String> queue = new LinkQueue<String>("aaaa");
         // 依次将4个元素加入到队列中
         queue.add("bbbb");
         queue.add("cccc");
         queue.add("dddd");
         System.out.println(queue);

         // 删除一个元素后
         queue.remove();
         System.out.println("删除一个元素后的队列：" + queue);

         // 再添加一个元素
         queue.add("eeee");
         System.out.println("再次添加元素后的队列：" + queue);

     }

 }

程序输出：

[aaaa, bbbb, cccc, dddd]
删除一个元素后的队列：[bbbb, cccc, dddd]
再次添加元素后的队列：[bbbb, cccc, dddd, eeee]