从原理到实战：Java 队列（Queue）指南

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前言

大家好,好久没有进行博客的撰写了.在这里我会开始创建一个合集来记录我数据结构的学习和一个刷题的合集.不过在过去的日子还是太放纵自己了哈哈哈哈.
好的这次我学习的是栈与队列的知识,我会结合自己在学习的过程中遇到的难懂的地方和整体的脉络和大家进行交流~~
话不多说,发车发车~

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一、队列的认识

队列的底层与集合框架

在 Java 中，队列（Queue）是集合框架的一部分，属于 java.util 包下的接口。

从底层实现来看，不同的队列实现类底层数据结构不同。但是主要是由链表和数组实现的.
LinkedList 实现了 Queue 接口，它底层基于双向链表，通过节点的链接来维护队列的先进先出（FIFO）特性，插入和删除元素时效率较高.
ArrayDeque 则底层基于数组，利用数组的索引操作来模拟队列，在首尾操作元素时也能有较好的性能。

集合框架为队列提供了统一的接口规范，让开发者能方便地使用队列的各种操作，如入队（offer）、出队（poll）、查看队首元素（peek）等，同时也能结合集合框架中的其他类和接口，实现更复杂的数据结构和算法操作。

• java集合框架
  

常见的队列方法

• queue(栈)中在java中常见的方法有add,offer .remove,poll .element , peek.他们两两一组,又有不同的次重点.

• 这几个方法都是Java中Queue接口定义的方法，它们的不同点主要体现在操作失败时的表现以及方法用途侧重方面：

插入元素方法对比（add 和 offer）

• add(E e)：
  • 操作失败时的表现：如果试图将元素添加到一个容量固定且已满的队列中，会抛出IllegalStateException异常。例如，当使用ArrayDeque创建一个固定大小的队列，并且队列已经达到最大容量时，调用add方法添加元素就会触发异常。
  • 用途侧重：适用于在程序中能明确保证队列不会满的场景，或者希望在队列满时以异常形式来中断程序流程，从而进行错误处理的情况。
• offer(E e)：
  • 操作失败时的表现：当尝试将元素添加到已满的队列中，不会抛出异常，而是返回false 。比如在实现一个任务队列，当队列满时，不希望程序因为添加任务失败而崩溃，此时可以使用offer方法，通过返回值来判断任务是否成功添加。
  • 用途侧重：更适合在日常开发中，不确定队列是否已满的场景，通过返回值来灵活处理添加操作的结果。

移除元素方法对比（remove 和 poll）

• remove()：
  • 操作失败时的表现：如果从空队列中移除元素，会抛出NoSuchElementException异常 。比如在编写一个处理消息队列的程序时，没有提前检查队列是否为空就直接调用remove方法，当队列为空时就会引发异常。
  • 用途侧重：适用于能确保队列非空的场景，或者希望以异常的方式来处理空队列情况，提醒开发者进行相应的错误处理。
• poll()：
  • 操作失败时的表现：从空队列中移除元素时，不会抛出异常，而是返回null 。例如，在循环处理队列元素时，可以使用poll方法，通过判断返回值是否为null来确定是否已经处理完所有元素，进而结束循环。
  • 用途侧重：在不确定队列是否为空的情况下使用更方便，通过返回值就能轻松判断操作结果，避免了繁琐的异常处理代码。

查看队首元素方法对比（element 和 peek）

• element()：
  • 操作失败时的表现：当试图从空队列中获取队首元素时，会抛出NoSuchElementException异常 。例如，在一个多线程操作队列的场景中，没有做好同步控制，在队列为空时调用element方法就会出现异常。
  • 用途侧重：适用于确定队列非空的场景，用于获取队首元素进行后续操作，并且希望以异常形式来处理空队列的情况。
• peek()：
  • 操作失败时的表现：从空队列中获取队首元素时，不会抛出异常，而是返回null 。比如在一个定时检查队列头部元素的任务中，使用peek方法可以在不抛出异常的情况下，简单判断队列是否为空以及获取队首元素。
  • 用途侧重：在不确定队列是否为空，又需要获取队首元素信息时，使用peek方法更为合适，方便根据返回值进行后续逻辑处理。

简单说就是

• add/remove/element：操作失败会抛异常。
• offer/poll/peek：操作失败返回 false（offer）或 null（poll/peek），更安全。

二、方法简单实现

Linkedlist实现

• 框架搭建

public class MyQueue {// 使用LinkedList实现的队列，存储整数类型元素// LinkedList实现了Queue接口，提供了队列的基本操作 向上转型Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();//静态内部类static class ListNode{public int val;public ListNode prev; //链表中的两个重要指向public ListNode next;public ListNode(int val){//构造方法 用于实例化对象this.val = val;}}public ListNode first;public ListNode last;
}

• 工具代码

  public boolean isEmpty(){return first ==  null && last ==null;}public int size(){int count = 0;ListNode cur = first;while (cur != null){count++;cur = cur.next;}return count;}

• 尾差offer

public void offer(int val){ListNode node = new ListNode(val);if (isEmpty()){first = last = node;}else {last.next = node;node.prev = last;last = node;}}

• 头删poll

public int poll(){int val = first.val;if (isEmpty()){return -1;}if (first == last){first = null;last = null;}else {first = first.next;first.prev = null;}return val;}

• 取顶pop

public int pop(){if (isEmpty()){return -1;}else {return first.val;}}

• 核心思想
  这里方法核心思想就是链表中指向的修改问题,在定义的first,last cur三个指向的修改思想.比如:

数组实现遇到的问题

• 数组的结构不像链表那样灵活,尤其是头删,我们的指针会不断的向后面进行,导致前面的内存浪费.

• 比如说;假设我们有一个固定大小的数组来模拟队列，设置队首指针 front 和队尾指针 rear，初始时都指向数组起始位置。当进行入队操作时，rear 不断后移；出队操作时，front 也不断后移。可这样一来，随着操作的进行，队列前面会逐渐出现空闲的空间，但因为 rear 已经到达数组末尾，我们却无法再利用这些前面的空闲空间，就好像队列 “假满” 了一样，明明数组还有空间，却无法继续入队新元素。
  其次，当队列中的元素都出队后，front 和 rear 都指向了数组后面的位置，此时队列实际为空，但从指针位置看，却好像还有元素存在，这就给我们判断队列是否为空带来了困难。

• 为了解决这些问题，循环队列的概念就被引入了。循环队列把数组的首尾连接起来，形成一个环形的结构，让队首和队尾指针可以循环移动，从而充分利用数组的空间，也能更方便、准确地判断队列的空满状态。

三、引入循环队列

两个问题

从上面的图可以看出有两个棘手的问题

• 1.当入队的时候,rear不断向后,传统的思想就是每次有新的元素进队,我们使rear+1即可,但是当rear一个单位相邻front时候,我们再让下边+1就不是front(默认下表0)的下标了,头删问题同上.
• 2.我们应当如何判断队列是不是满的,而不是不同的覆盖添加.

如何正确表示下边(从尾部到头部)?

• 公式法
  (r + 偏移量) % len
(f + 偏移量) % len
  

如何判断队列满不满?

• 标记法
  在rear = front (起始时) tip = !isFull标记一下,当下一次出现rear = front时, tip = isFull.不再进行插入
  

• 预留空间法
  在循环队列中让rear的下一位就是front,即(rear+1)%len = front
  

预留空间法实现

代码示例

public class MyCircularQueue {//预留空间法//初始变量的定义public int [] elem;public int rear ;public int front;//构造方法进行初始化public MyCircularQueue(int k){this.elem = new int [k];}/***** 入队*/public boolean enQueue(int val) {//判满if (isFull()) {return false;}elem[rear] = val;rear = (rear + 1) % elem.length;return true;}//出队public boolean deQueue (){if (isEmpty()){return false;}front = (front+1)%elem.length;return true;}/***** 返回头* @return*/public int getFront(){if (isEmpty()){return -1;}return elem[front];}/***** 返回尾* @return*/public int getRear(){if (isEmpty()){return -1;}if (rear == 0)return elem[elem.length-1];//处理边界问题}else {return elem[rear-1];}}public boolean isFull(){//r的下一个是freturn (rear+1)%elem.length == front;}public boolean isEmpty(){return front == rear;}
}

标记法实现

代码示例

public class MyCircularQueue {//标记法//初始变量的定义public int [] elem;public int rear ;public int front;//构造方法进行初始化public MyCircularQueue(int k){this.elem = new int [k];}private boolean isFull0 = false;public boolean isFull2(){//r的下一个是freturn isFull0;}public boolean isEmpty2(){return front == rear && !isFull0;}//标记法public boolean enQueue2(int val) {//判满if (isFull2()) { //一开始进不来return false;}elem[rear] = val;rear = (rear + 1) % elem.length;//入队后判断是不是满了if (rear == front) {isFull0 = true;}return true;}//出队public boolean deQueue2 (){if (isEmpty()){return false;}front = (front+1)%elem.length;isFull0 = false;return true;}
}

四、实战应用(见<历练场>)

队列实现栈

栈实现队列

总结

• 好啦,到这里我们队列的知识就分享到这里了，谢谢大家的阅读。如有问题请直接指出。
  我是Dylan,下次见~