一文带你认识队列数据结构

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发布于: 2021 年 06 月 01 日

摘要：对于队列来说数据结构相比栈复杂一些，但是也不是很难，搞懂先进先出然后用数组或者链表实现即可。

前言

栈和队列是一对好兄弟，栈的机制相对简单，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(在外面的先出去，堵在里面先进去的就有点倒霉)。而队列就好比是一个隧道，后面的人跟着前面走，前面人先出去(先入先出)。日常的排队就是队列运转形式的一个描述！

栈是一种喜新厌旧的数据结构，来了新的就会处理新的把老的先停滞在这(我们找人、约人办事最讨厌这种人)，队列就是大公无私的一种数据结构，排队先来先得，讲究顺序性，所以这种数据结构在程序设计、中间件等都非常广泛的应用，例如消息队列、FIFO 磁盘调度、二叉树层序遍历、BFS 宽度优先搜索等等。

队列的核心理念就是：先进先出！

队列的概念：队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端（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

我们设计队列时候可以选择一个标准，这里就拿力扣 622 设计循环队列作为队列设计的标准。

队头 front：删除数据的一端。

队尾 rear ：插入数据的一端。

对于数组，从数组后面插入更容易，数组前面插入较困难，所以一般用数组实现的队列队头在数组前面，队尾在数组后面；而对于链表，插入删除在两头分别进行那么头部(前面)删除尾部插入最方便的选择。

实现方法：

MyCircularQueue(k): 构造器，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。如果成功插入则返回真。
deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
isFull(): 检查循环队列是否已满。

普通队列

按照上述的介绍，我们很容易知道数组实现的方式。用数组模拟表示队列。要考虑初始化，插入，问题。

在这个普通队列一些操作需要注意的有：

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

入队：队不满，数组不越界，先队尾位置传值，再队尾下标+1(队尾 rear 实际上超前一位，为了区分空队列情况)

出队：队不空，先取队头位置元素，在队头+1。

但是很容易发现问题，每个空间域只能利用一次，造成空间极度浪费，非常容易越界！

循环队列(数组实现)

针对上述的问题。有个较好的解决方法！就是对已经申请的(数组)内存重复利用。这就是我们所说的循环队列。循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使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修改。因为我们队列中只需要 front 和 rear 两个指针。rear 在逻辑上在后面，front 在逻辑上是在前面的，但实际上它们不一定谁在前谁在后，在计算距离的时候需要给 rear 先补上数组长度减去 front，然后求余即可。

初始化：数组的 front 和 rear 都指向 0. 这里需要注意的是：front 和 rear 位于同一个位置时候，证明队列里面是空的。还有在这里我具体实现时候将数组申请大了一个位置空出来，防止队列满的情况又造成 front 和 rear 在同一个位置。

入队：队不满，先队尾位置传值，再 rear=(rear+ 1) % maxsize;

出队：队不空，先取队头位置元素，front=(front+ 1)% maxsize;

这里出队入队指标相加如果遇到最后需要转到头位置，这里直接+1 求余找到位置(相比判断是否在最后更加简洁)，其中 maxsize 是数组实际大小。

是否为空：returnrear == front;

大小：return(rear+maxsize-front)%maxsize;

这里很容易理解，一张图就能解释清楚，无论是 front 实际在前在后都能满足要求。

这里面有几个大家需要注意的，就是指标相加如果遇到最后需要转到头的话。可以判断是否到数组末尾位置。也可以直接+1 求余。其中 maxsize 是数组实际大小。

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;    }}

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循环队列(链表实现)

对于链表实现的队列，要根据先进先出的规则考虑头和尾的位置

我们知道队列是先进先出的，对于链表，我们能采用单链表尽量采用单链表，能方便尽量方便，同时还要兼顾效率。使用链表大概有两个实现方案：

方案一 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，但是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，但是设置尾指针删除需要将它前驱节点需要双向链表，都挺麻烦的。

方案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(用尾指针可以直接指向 next)，容易实现，如果队头删除在链表头部进行也很容易，就是我们前面常说的头节点删除节点。

所以我们最终采取的是方案 2 的带头节点、带尾指针的单链表!

主要操作为：

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，但是如果仅有一个节点删除时候，需要多加一个 rear=front，不然 rear 就失联啦。

是否为空：returnrear == front;或者自定义维护 len 判断 returnlen==0

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

实现代码：

public class MyCircularQueue{     class node {        int data;// 节点的结果        node next;// 下一个连接的节点        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--;            //注意 如果被删完 需要将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;    }    }

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双向队列(加餐)

设计实现双端队列，其实你经常使用的 ArrayDeque 就是一个经典的双向队列，其基于数组实现，效率非常高。我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。

你的实现需要支持以下操作：

MyCircularDeque(k)：构造函数,双端队列的大小为 k。
insertFront()：将一个元素添加到双端队列头部。如果操作成功返回 true。
insertLast()：将一个元素添加到双端队列尾部。如果操作成功返回 true。
deleteFront()：从双端队列头部删除一个元素。如果操作成功返回 true。
deleteLast()：从双端队列尾部删除一个元素。如果操作成功返回 true。
getFront()：从双端队列头部获得一个元素。如果双端队列为空，返回 -1。
getRear()：获得双端队列的最后一个元素。如果双端队列为空，返回 -1。
isEmpty()：检查双端队列是否为空。
isFull()：检查双端队列是否满了。

其实有了上面的基础，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一致的，只有多了一个队头插入和队尾删除的操作，两个操作分别简单的分析一下：

队头插入：队友 front 下标位置本身是有值的，所以要将 front 退后一位然后再赋值，不过要考虑是否为满或者数组越界情况。

队尾删除：只需要 rear 位置减 1，同时也要考虑是否为空和越界情况。

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;    }
    /** 正常头部删除 */    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;    }}

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总结

对于队列来说数据结构相比栈复杂一些，但是也不是很难，搞懂先进先出然后用数组或者链表实现即可。

对于数组，队尾 tail 指向的位置是空的，而链表的 front（head 一样）为头指针为空的，所以在不同结构实现相同效果的方法需要注意一下。

数组实现的循环队列能够很大程度利用数组空间，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，掌握还是很有必要的。

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发布于: 2021 年 06 月 01 日阅读数: 294

原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/9690dc26c6b196dd2e3cb90a9】。文章转载请联系作者。

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一文带你认识队列数据结构

前言

队列介绍

普通队列

循环队列(数组实现)

循环队列(链表实现)

双向队列(加餐)

总结

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