一文详解「队列」，手撸队列的3种方法！

本文已收录至我的 Github《算法图解》系列：https://github.com/vipstone/algorithm

前面我们介绍了栈（Stack），队列和栈是比较像的一种数据结构。我们可以想象有很多辆汽车正在通过单行道的隧道，所有车辆不能插队、不能掉头，先进来的车也先出去，我们可以把这种特征的数据结构称之为队列。

队列也属于逻辑结构，所谓的物理结构是指可以将数据存储在物理空间中，比如数组和链表都属于物理数据结构；而逻辑结构则是用于描述数据间的逻辑关系的，它可以由多种不同的物理结构来实现，比如队列和栈都属于逻辑结构。

队列特性

队列中的元素必须是先进先出（First In First Out，FIFO）的，它有两个重要的方法：入队（enqueue）和出队（dequeue）。队列的入口端叫队尾（rear），出口端叫队头（front），如下图所示：

手撸队列

学习了队列的基本知识之后，接下来我们将使用代码来实现一个队列。

首先我们先使用数组来实现一个队列，它的结构如下图所示：

1.自定义队列—数组

public class MyQueue<E> {

    private Object[] queue; // 存储容器
    private int head; // 头部指针
    private int tail; // 尾部指针
    private int size; // 队列实际存储长度
    private int maxSize; // 最大容量

    public MyQueue() {
        // 无参构造函数，设置默认参数
        this.maxSize = 10;
        this.head = 0;
        this.tail = -1;
        this.size = 0;
        this.queue = new Object[this.maxSize];
    }

    public MyQueue(int initSize) {
        // 有参构造函数，设置参数
        this.maxSize = initSize;
        this.head = 0;
        this.tail = -1;
        this.size = 0;
        this.queue = new Object[this.maxSize];
    }

    /**
     * 查询队头元素
     */
    public E peek() throws Exception {
        if (size == 0) {
            throw new Exception("队列中暂无数据");
        }
        return (E) this.queue[this.head];
    }

    /**
     * 入列
     */
    public boolean offer(E e) throws Exception {
        if (tail >= (maxSize - 1)) {
            throw new Exception("添加失败，队列已满");
        }
        this.queue[++tail] = e;
        size++;
        return true;
    }

    /**
     * 出列
     */
    public E poll() throws Exception {
        if (size == 0) {
            throw new Exception("删除失败，队列为空");
        }
        size--;
        return (E) this.queue[head++];
    }

    /**
     * 代码测试
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyQueue queue = new MyQueue();
        queue.offer("Hello");
        queue.offer("Java");
        System.out.println(queue.peek());
        queue.poll();
        System.out.println(queue.poll());
    }
}

以上代码的执行结果如下：

Hello

Java

2.自定义队列—链表

用链表实现队列的数据结构如下图所示：

实现代码如下：

public class QueueByLinked {

    /**
     * 声明链表节点
     */
    static class Node<E> {
        E item; // 当前的值

        Node<E> next; // 下一个节点

        Node(E e) {
            this.item = e;
        }
    }

    private Node firstNode; // 队头元素
    private Node lastNode; // 队尾元素
    private int size; // 队列实际存储数量
    private int maxSize; // 队列最大容量

    public QueueByLinked(int maxSize) {
        if (maxSize <= 0) throw new RuntimeException("队列最大容量不能为空");
        // 默认初始化函数
        firstNode = lastNode = new Node(null);
        this.size = 0;
        this.maxSize = maxSize;
    }

    /**
     * 判断队列是否为空
     */
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    /**
     * 入列
     */
    public void offer(Object e) {
        // 最大值效验
        if (maxSize <= size) throw new RuntimeException("队列已满");
        Node node = new Node(e);
        lastNode = lastNode.next = node; // 设置最后一个节点和倒数第二个节点的 next
        size++; // 队列数量 +1
    }

    /**
     * 出列
     */
    public Node poll() {
        if (isEmpty()) throw new RuntimeException("队列为空");
        size--; // 队列数量 -1
        return firstNode = firstNode.next; // 设置并返回队头元素（第一个节点是 null，当前元素则为 Node.next）
    }
    
    /**
     * 查询队头元素
     */
    public Node peek() {
        if (isEmpty()) throw new RuntimeException("队列为空");
        return firstNode.next;  // 返回队头元素（第一个节点是 null，当前元素则为 Node.next）
    }

    /**
     * 代码测试
     */
    public static void main(String[] args) {
        QueueByLinked queue = new QueueByLinked(10);
        queue.offer("Hello");
        queue.offer("JDK");
        queue.offer("Java");
        System.out.println(queue.poll().item);
        System.out.println(queue.poll().item);
        System.out.println(queue.poll().item);
    }
}

以上代码的执行结果如下：

Hello

JDK

Java

3.扩展：使用 List 实现自定义队列

除了以上两种方式之外，我们还可以使用 Java 自身的数据结构来实现队列，比如 List，我们这里提供一个实现的思路（但并不建议在实际工作中使用），实现代码如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 自定义队列（List方式）
 */
public class QueueByList<E> {

    private List value; // 队列存储容器

    public QueueByList() {
        // 初始化
        value = new ArrayList();
    }

    /**
     * 判断队列是否为空
     */
    public boolean isEmpty() {
        return value.size() == 0;
    }

    /**
     * 入列
     */
    public void offer(Object e) {
        value.add(e);
    }

    /**
     * 出列
     */
    public E poll() {
        if (isEmpty()) throw new RuntimeException("队列为空");
        E item = (E) value.get(0);
        value.remove(0);
        return item;
    }

    /**
     * 查询队头元素
     */
    public E peek() {
        if (isEmpty()) throw new RuntimeException("队列为空");
        return (E) value.get(0);
    }

    /**
     * 代码测试
     */
    public static void main(String[] args) {
        QueueByList queue = new QueueByList();
        queue.offer("Hello");
        queue.offer("JDK");
        queue.offer("Java");
        System.out.println(queue.poll());
        System.out.println(queue.poll());
        System.out.println(queue.poll());
    }
}

以上代码的执行结果如下：

Hello

JDK

Java

队列使用场景

队列的常见使用场景有：

• 存储多线程中等待排队执行的任务；
• 存储多线程公平锁中等待执行任务的线程；
• 常见消息中间件的任务队列等。

总结

通过以上三种队列的实现方式我们可以看出，任意容器都是可以用来实现队列（Queue）的，只要保证队列的元素先进先出（FIFO），并且在实现类中需要包含队列的四个核心方法：入列、出列、查询队列是否为空、返回队头元素等，就可以称为实现了一个自定义的队列。

最后，给大家留一个问题：队列的类型都有哪些？欢迎评论区留言，我会在下篇文章中给出答案。欢迎关注我，每天和你一起进步一点点~