数据结构--队列的实现（单向链表方式）

Posted 2022-12-04 大扑棱蛾子

什么是链表

在阅读本章之前，需要您知道什么是链表？

说到链表，那么就需要聊一聊计算机中的存储方式。计算机中的存储方式主要分为两种，一种是顺序存储，一种是非顺序存储。可以扒一扒这篇文章看一看。

链表是一种非顺序存储结构，它允许保存的数据在内存中可以不连续。

链表有以下4种

• 单向链表：每个节点有一个指针（next）指向下一个节点，最后一个节点指向null
• 双向链表：每个节点有一个指针（next）指向下一个节点和一个指针(prev)指向上一个节点。第一个节点的prev为null，最后一个节点的next为null。
• 单向循环链表：最后一个节点的next指针指向第一个节点，如果只有一个节点，这个节点的next指向自己。
• 双向循环链表：第一个节点的prev指向最后一个节点，最后一个节点的next指向第一个节点，如果只有一个节点prev和next都指向自己。

这里只简单介绍链表，后面会写文章详细介绍链表及链表的实现。本文中我们用单向链表实现。

实现原理

定义两个指针front和rear。front指向第一个元素，rear指向最后一个元素。

消费一个元素后，front指向这个元素的next。即下一个元素，当消费完最后一个元素后(next == null)，front和rear都指向null。
添加元素后，rear所指向的元素的next指针指向新元素，同时rear也指向新元素。
需要在添加或者取出元素时维护队列长度。

使用链表来实现队列是比较简单的，而且可以实现没有长度限制的队列。

实现代码

package com.codestd.study.queue;

import java.util.NoSuchElementException;

/**
 * 链表方式实现队列
 *
 * @author jaune
 * @since 1.0.0
 */
public class LinkedQueue<T> implements Queue<T> 
    private Node<T> front = null;
    private Node<T> rear = null;
    private int size = 0;
    private final Integer maxSize;

    /**
     * 不设置最大长度，则队列的长度可以无限增加
     */
    public LinkedQueue() 
        this.maxSize = null;
    

    /**
     * 设置队列的最大长度，达到最大长度后不能再添加元素。
     * @param maxSize 最大长度
     */
    public LinkedQueue(Integer maxSize) 
        this.maxSize = maxSize;
    

    @Override
    public T peek() 
        if (this.isEmpty()) 
            throw new NoSuchElementException("队列为空");
        
        return this.front.item;
    

    @Override
    public void push(T t) 
        if (this.isFull()) 
            throw new RuntimeException("队列已满，无法添加新的元素。");
        
        if (this.size == 0) 
            this.front = new Node<>(t);
            this.rear = this.front;
         else 
            Node<T> node = new Node<>(t);
            this.rear.next = node;
            this.rear = node;
        
        this.size++;
    

    @Override
    public T pop() 
        if (this.isEmpty()) 
            throw new NoSuchElementException("队列为空");
        
        Node<T> node = this.front;
        if (node.next == null) 
            this.front = null;
            this.rear = null;
            this.size = 0;
         else 
            this.front = node.next;
            this.size--;
        
        return node.item;
    
    
    @Override
    public void clear() 
        // 这里清空所有引用，目的是为了便于垃圾回收。
        Node<T> node = this.front;
        while (node != null) 
            Node<T> next = node.next;
            node.item = null;
            node.next = null;
            node = next;
        
        this.front = this.rear = null;
        this.size = 0;
    

    @Override
    public int size() 
        return this.size;
    

    @Override
    public boolean isEmpty() 
        return this.size == 0;
    

    /**
     * 链表队列不会有长度限制。
     */
    @Override
    public boolean isFull() 
        if (this.maxSize == null) 
            return false;
         else 
            return size == maxSize;
        
    

    private static class Node<T> 
        T item;
        Node<T> next;

        public Node(T item) 
            this.item = item;
        
    

注意clear方法，clear方法中是将所有引用都清空了。这样便于垃圾回收。java.util.LinkedList中的clear采用了另一种方法，下面将代码贴出来供大家参考。

public void clear() 
    // Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:
    // - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit
    //   more than one generation
    // - is sure to free memory even if there is a reachable Iterator
    for (Node<E> x = first; x != null; ) 
        Node<E> next = x.next;
        x.item = null;
        x.next = null;
        x.prev = null;
        x = next;
    
    first = last = null;
    size = 0;
    modCount++;