3，常见数据结构-队列
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基础知识
队列是一种特殊的线性表，他的特殊性在于我们只能操作他头部和尾部的元素，中间的元素我们操作不了，我们只能在他的头部进行删除，尾部进行添加。就像大家排队到银行取钱一样，先来的肯定要排到前面，后来的只能排在队尾，所有元素都要遵守这个操作，没有VIP会员，所以走后门插队的现象是不可能存在的，他是一种先进先出的数据结构。我们来看一下队列的数据结构是什么样的
1，一般队列
他只能从左边进，右边出，队列实现方式一般有两种，一种是基于数组的，还一种是基于链表的，如果基于链表的倒还好说，因为链表的长度是随时都可以变的，这个实现起来比较简单。如果是基于数组的，就会稍微有点不同，因为数组的大小在初始化的时候就已经固定了，我们来看一下基于数组的实现，假如我们初始化一个长度是10的队列
front指向的是队列的头，tail指向的是队列尾的下一个存储空间，最初始的时候front=0，tail=0，每添加一个元素tail就加1，每移除一个元素front就加1，但是这样会有一个问题，如果一个元素不停的加入队列，然后再不停的从队列中移除，会导致tail和front越来越大，最后会导致队列无法再加入数据了，但实际上队列前面全部都是空的，这导致空间的极大浪费。我们自己来写一个简单的队列看一下
public class MyQueue<E> {
private final Object[] data;
private final int maxSize;
private int size;
private int front = 0;
private int tail = 0;
public MyQueue(int maxSize) {
if (maxSize <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("队列容量必须大于0 : " + maxSize);
}
this.maxSize = maxSize;
data = new Object[this.maxSize];
}
public void add(E e) {
if (isFull()) {//这地方可以扩容也可以抛异常，为了方便这里我们就不在扩容了。
throw new IllegalStateException("队列已经满了，无法再加入……");
}
data[tail++] = e;
size++;
}
public E remove() {
if (isEmpty()) {
throw new IllegalStateException("队列是空的，无法移除……");
}
E t = (E) data[front];
data[front++] = null;
size--;
return t;
}
//队列头和队列尾指向同一空间的时候，并且没到队尾，表示队列是空的
public boolean isEmpty() {
return front == tail && !isFull();
}
public boolean isFull() {//最后一个位置是不存储数据的
return tail == maxSize - 1;
}
public int getSize() {
return size;
}
}
代码非常简单，当然队列的实现不一定是这一种方式，比如我们可以让tail指向队尾的元素，或者以链表的形式来实现都是可以的，不同的实现方式会导致上面的方法有所不同。我们来测试一下
public static void main(String[] args) {
MyQueue myQueue = new MyQueue(10);
System.out.println("isEmpty()=" + myQueue.isEmpty());
System.out.println("isFull()=" + myQueue.isFull());
System.out.println("getSize()=" + myQueue.getSize());
for (int i = 0; i < 9; i++) {
myQueue.add(i * 100);
myQueue.remove();
}
System.out.println("----------------------------");
System.out.println("isEmpty()=" + myQueue.isEmpty());
System.out.println("isFull()=" + myQueue.isFull());
System.out.println("getSize()=" + myQueue.getSize());
}
看一下打印的结果
isEmpty()=true
isFull()=false
getSize()=0
----------------------------
isEmpty()=false
isFull()=true
getSize()=0
我们添加了9次，然后又移除了9次，结果队列竟然满了，如果我们再添加一次的话肯定会抛异常，但实际上队列的size是0，还是空的，也就是说数组的每个位置只能使用一次，这样就造成了极大的浪费。那么前面使用过的空间还能不能再次利用了呢，实际上是可以的，我们可以把队列看成是环形的，当tail到达数组末尾的时候，如果数组的前面有空位子，我们可以让tail从头开始，这个时候一个新的队列就产生了，那就是双端队列。
2，双端队列
双端队列也是有两个指针，front指向队首，tail指向队尾的下一个存储单元，我们来看一下图
这样空间就可以循环利用了，不会造成浪费，我们来看下代码
public class MyQueue<E> {
//存储的元素
private Object[] data;
//指向队列头，这个头并不是数组的第0个元素，如果这样
// front就没有意义了，这个从下面的addFirst(E e)方
// 法也可以看出，如果当front等于0的时候，在添加到
// first，那么会添加到数组的末尾，并且front也指向
// 数组的末尾
private int front;
//指向队列尾的下一个空间，可以这样理解，front指向
// 的是第一个元素，tail指向的是最后一个元素的下一
// 个，指的是空的。
private int tail;
public MyQueue(int numElements) {
data = new Object[numElements];
}
//空间扩容，我们这里选择扩大一倍，当然也可以选择其
// 他值，仅仅当满的时候才能触发扩容， 这时候front
// 和tail都会指向同一个元素
private void doubleCapacity() {
int p = front;
int n = data.length;//数组的长度
//关键是r不好理解，举个例子，在数组中，front
// 不一定是之前0位置的，他可以指向其他位置，
// 比如原来空间大小为16，front为13，也就是第
// 14个元素（数组是从0开始的），那么r就是16-13=3，
// 也就是从front往后还有多少元素，待会copy的时候
// 也是先从最后的r个元素开始
int r = n - p;
Object[] a = new Object[n << 1];//扩大一倍
System.arraycopy(data, p, a, 0, r);//先copy后面的r个
System.arraycopy(data, 0, a, r, p);//再copy前面的p个
data = a;
//重新调整front和tail的值
front = 0;
tail = n;
}
public void addFirst(E e) {
//添加到front的前面，所以front-1
front = (front - 1 + data.length) % data.length;
data[front] = e;
if (front == tail)//判断是否满了
doubleCapacity();
}
public void addLast(E e) {
//添加到最后一个，这个方法和addFirst有很明显的不同，
// addFirst是添加的时候就要计算front的位置，而addLast
// 方法是存值之后在计算tail的，/因为tail位置是没有
// 存值的，他表示的末端元素的下一个，是空，所以存值之后
//要计算tail的值
data[tail] = e;
tail = (tail + 1) % data.length;
if (tail == front)//判断是否满
doubleCapacity();
}
public E removeFirst() {//删除第一个
if (isEmpty())
throw new IllegalStateException("队列是空的，无法移除……");
E result = (E) data[front];
data[front] = null;
// 删除第一个，这里的所有第一我们都认为是front所指的，
// 不是数组的0位置，然后在计算front的值
front = (front + 1) % data.length;
return result;
}
public E removeLast() {//删除最后一个
if (isEmpty())
throw new IllegalStateException("队列是空的，无法移除……");
tail = (tail - 1 + data.length) % data.length;
E result = (E) data[tail];
data[tail] = null;
return result;
}
public E peekFirst() {
if (isEmpty())
throw new IllegalStateException("队列是空的，无法获取……");
return (E) data[front];
}
public E peekLast() {
if (isEmpty())
throw new IllegalStateException("队列是空的，无法获取……");
return (E) data[(tail - 1 + data.length) % data.length];
}
public int size() {//元素的size
return (tail - front + data.length) % data.length;
}
//是否为空，在上面添加元素的时候也可能front==tail，当添加
// 元素之后front==tail的时候就认为是满了，然后扩容，重新
// 调整front和tail的值,所以扩容之后front就不可能等于tail。
//如果没有触发上面添加元素的时候front等于tail我们就认为他是空的。
public boolean isEmpty() {
return front == tail;
}
}
