数据结构与算法系列七(队列)
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
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
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?
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。栈的特点是后进先出,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。
- 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
- 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;
- }
- }
- #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