关于队列:一文带你认识队列数据结构

摘要：对于队列来说数据结构相比栈简单一些，然而也不是很难，搞懂先进先出而后用数组或者链表实现即可。

本文分享自华为云社区《手写各种队列，一文搞定》，原文作者：bigsai 。

前言

栈和队列是一对好兄弟，栈的机制绝对简略，后入先出，就像进入一个狭小的山洞，山洞只有一个出入口，只能后进先出(在里面的先进来，堵在外面先进去的就有点晦气)。而队列就好比是一个隧道，前面的人跟着后面走，后面人先进来(先入先出)。日常的排队就是队列运行模式的一个形容！

栈是一种喜新厌旧的数据结构，来了新的就会解决新的把老的先停滞在这(咱们找人、约人办事最厌恶这种人)，队列就是假公济私的一种数据结构，排队先来先得，考究程序性，所以这种数据结构在程序设计、中间件等都十分宽泛的利用，例如音讯队列、FIFO磁盘调度、二叉树层序遍历、BFS宽度优先搜寻等等。

队列的核心理念就是：先进先出！

队列的概念：队列是一种非凡的线性表，非凡之处在于它只容许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

队列介绍

咱们设计队列时候能够抉择一个规范，这里就拿力扣622设计循环队列作为队列设计的规范。

队头front：删除数据的一端。

队尾rear ：插入数据的一端。

对于数组，从数组前面插入更容易，数组后面插入较艰难，所以个别用数组实现的队列队头在数组后面，队尾在数组前面；而对于链表，插入删除在中间别离进行那么头部(后面)删除尾部插入最不便的抉择。

实现办法：

MyCircularQueue(k): 结构器，设置队列长度为 k 。
Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果胜利插入则返回真。
deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果胜利删除则返回真。
isEmpty(): 查看循环队列是否为空。
isFull(): 查看循环队列是否已满。

一般队列

依照上述的介绍，咱们很容易晓得数组实现的形式。用数组模仿示意队列。要思考初始化，插入，问题。

在这个一般队列一些操作须要留神的有：

初始化：数组的front和rear都指向0. (front和rear下标相等的时候阐明队列为空)

入队：队不满，数组不越界，先队尾地位传值，再队尾下标+1(队尾rear实际上超前一位，为了辨别空队列状况)

出队：队不空，先取队头地位元素，在队头+1。

然而很容易发现问题，每个空间域只能利用一次，造成空间极度节约，非常容易越界！

循环队列(数组实现)

针对上述的问题。有个较好的解决办法！就是对曾经申请的(数组)内存反复利用。这就是咱们所说的循环队列。循环队列的一个益处是咱们能够利用这个队列之前用过的空间。在一个一般队列里，一旦一个队列满了，咱们就不能插入下一个元素，即便在队列后面仍有空间。然而应用循环队列，咱们能应用这些空间去存储新的值。

数组实现的循环队列就是在逻辑上作批改。因为咱们队列中只须要front和rear两个指针。rear在逻辑上在前面，front在逻辑上是在后面的，但实际上它们不肯定谁在前谁在后，在计算间隔的时候须要给rear先补上数组长度减去front，而后求余即可。

初始化：数组的front和rear都指向0. 这里须要留神的是：front和rear位于同一个地位时候，证实队列外面是空的。还有在这里我具体实现时候将数组申请大了一个地位空进去，避免队列满的状况又造成front和rear在同一个地位。

入队：队不满，先队尾地位传值，再rear=(rear + 1) % maxsize;

出队：队不空，先取队头地位元素，front=(front + 1)% maxsize;

这里出队入队指标相加如果遇到最初须要转到头地位，这里间接+1求余找到地位(相比判断是否在最初更加简洁)，其中maxsize是数组理论大小。

是否为空：return rear == front;

大小：return (rear+maxsize-front)%maxsize; 这里很容易了解，一张图就能解释分明，无论是front理论在前在后都能满足要求。

这外面有几个大家须要留神的，就是指标相加如果遇到最初须要转到头的话。能够判断是否到数组开端地位。也能够间接+1求余。其中maxsize是数组理论大小。

具体实现：

public class MyCircularQueue {    private int data[];// 数组容器    private int front;// 头    private int rear;// 尾    private int maxsize;// 最大长度    public MyCircularQueue(int k) {        data = new int[k+1];        front = 0;        rear = 0;        maxsize = k+1;    }    public boolean enQueue(int value)  {        if (isFull())            return  false;        else {            data[rear] = value;            rear=(rear + 1) % maxsize;        }        return  true;    }    public boolean deQueue() {        if (isEmpty())            return false;        else {            front=(front+1)%maxsize;        }        return  true;    }    public int Front() {        if(isEmpty())            return -1;        return data[front];    }    public int Rear() {        if(isEmpty())            return -1;        return data[(rear-1+maxsize)%maxsize];    }    public boolean isEmpty() {        return rear == front;    }    public boolean isFull() {        return (rear + 1) % maxsize == front;    }}

循环队列(链表实现)

对于链表实现的队列，要依据先进先出的规定思考头和尾的地位

咱们晓得队列是先进先出的，对于链表，咱们能采纳单链表尽量采纳单链表，能不便尽量不便，同时还要兼顾效率。应用链表大略有两个实现计划：

计划一：如果队列头设在链表尾，队列尾设在链表头。那么队尾进队插入在链表头部插入没问题，容易实现，然而如果队头删除在链表尾部进行，如果不设置尾指针要遍历到队尾，然而设置尾指针删除须要将它前驱节点须要双向链表，都挺麻烦的。

计划二：如果队列头设在链表头，队列尾设在链表尾，那么队尾进队插入在链表尾部插入没问题(用尾指针能够间接指向next)，容易实现，如果队头删除在链表头部进行也很容易，就是咱们后面常说的头节点删除节点。

所以咱们最终采取的是计划2的带头节点、带尾指针的单链表!

次要操作为：

初始化：设立一个头结点，是front和rear都先指向它。

入队：rear.next=va;rear=va;（va为被插入节点）

出队：队不空，front.next=front.next.next;经典带头节点删除，然而如果仅有一个节点删除时候，须要多加一个rear=front，不然rear就失联啦。

是否为空：return rear == front; 或者自定义保护len判断return len==0

大小：节点front遍历到rear的个数，或者自定义保护len间接返回(这里并没实现)。

实现代码：

public class MyCircularQueue{     class node {        int data;// 节点的后果        node next;// 下一个连贯的节点        public node() {}        public node(int data) {            this.data = data;        }    }    node front;//相当于head 带头节点的    node rear;//相当于tail/end    int maxsize;//最大长度    int len=0;    public MyCircularQueue(int k) {        front=new node(0);        rear=front;        maxsize=k;        len=0;    }    public boolean enQueue(int value)  {        if (isFull())            return  false;        else {            node va=new node(value);            rear.next=va;            rear=va;            len++;        }        return  true;    }    public boolean deQueue() {        if (isEmpty())            return false;        else {            front.next=front.next.next;            len--;            //留神 如果被删完 须要将rear指向front            if(len==0)                rear=front;        }        return  true;    }    public int Front() {        if(isEmpty())            return -1;        return front.next.data;    }    public int Rear() {        if(isEmpty())            return -1;        return rear.data;    }    public boolean isEmpty() {        return  len==0;        //return rear == front;    }    public boolean isFull() {        return len==maxsize;    }    }

双向队列(加餐)

设计实现双端队列，其实你常常应用的ArrayDeque就是一个经典的双向队列，其基于数组实现，效率十分高。咱们这里实现的双向队列模板基于力扣641 设计循环双端队列。

你的实现须要反对以下操作：

MyCircularDeque(k)：构造函数,双端队列的大小为k。
insertFront()：将一个元素增加到双端队列头部。如果操作胜利返回 true。
insertLast()：将一个元素增加到双端队列尾部。如果操作胜利返回 true。
deleteFront()：从双端队列头部删除一个元素。如果操作胜利返回 true。
deleteLast()：从双端队列尾部删除一个元素。如果操作胜利返回 true。
getFront()：从双端队列头部取得一个元素。如果双端队列为空，返回 -1。
getRear()：取得双端队列的最初一个元素。如果双端队列为空，返回 -1。
isEmpty()：查看双端队列是否为空。
isFull()：查看双端队列是否满了。

其实有了下面的根底，实现一个双端队列非常容易，有很多操作和单端的循环队列是统一的，只有多了一个队头插入和队尾删除的操作，两个操作别离简略的剖析一下：

队头插入：队友front下标地位自身是有值的，所以要将front退后一位而后再赋值，不过要思考是否为满或者数组越界状况。

队尾删除：只须要rear地位减1，同时也要思考是否为空和越界状况。

具体实现代码：

public class MyCircularDeque {    private int data[];// 数组容器    private int front;// 头    private int rear;// 尾    private int maxsize;// 最大长度    /*初始化 最大大小为k */    public MyCircularDeque(int k) {        data = new int[k+1];        front = 0;        rear = 0;        maxsize = k+1;    }    /** 头部插入 */    public boolean insertFront(int value) {        if(isFull())            return false;        else {            front=(front+maxsize-1)%maxsize;            data[front]=value;        }        return  true;    }    /** 尾部插入 */    public boolean insertLast(int value) {        if(isFull())            return  false;        else{            data[rear]=value;            rear=(rear+1)%maxsize;        }        return  true;    }    /** 失常头部删除 */    public boolean deleteFront() {        if (isEmpty())            return false;        else {            front=(front+1)%maxsize;        }        return  true;    }    /** 尾部删除 */    public boolean deleteLast() {        if(isEmpty())            return false;        else {            rear=(rear+maxsize-1)%maxsize;        }        return true;    }    /** Get the front item  */    public int getFront() {        if(isEmpty())            return -1;        return data[front];    }    /** Get the last item from the deque. */    public int getRear() {        if(isEmpty())            return -1;        return  data[(rear-1+maxsize)%maxsize];    }    /** Checks whether the circular deque is empty or not. */    public boolean isEmpty() {        return front==rear;    }    /** Checks whether the circular deque is full or not. */    public boolean isFull() {        return (rear+1)%maxsize==front;    }}

总结

对于队列来说数据结构相比栈简单一些，然而也不是很难，搞懂先进先出而后用数组或者链表实现即可。

对于数组，队尾tail指向的地位是空的，而链表的front（head一样）为头指针为空的，所以在不同构造实现雷同成果的办法须要留神一下。

数组实现的循环队列可能很大水平利用数组空间，而双向队列则是既能当队列又能当栈的一种高效数据结构，把握还是很有必要的。

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