教你如何使用Java手写一个基于数组实现的队列

Posted 2021-01-22

一、概述
　　队列，又称为伫列（queue），是先进先出（FIFO, First-In-First-Out）的线性表。在具体应用中通常用链表或者数组来实现。队列只允许在后端（称为rear）进行插入操作，在前端（称为front）进行删除操作。队列的操作方式和堆栈类似，唯一的区别在于队列只允许新数据在后端进行添加。

　　在Java中队列又可以分为两个大类，一种是阻塞队列和非阻塞队列。

　　1、没有实现阻塞接口：

　　1）实现java.util.Queue的LinkList,

　　2）实现java.util.AbstractQueue接口内置的不阻塞队列： PriorityQueue 和 ConcurrentLinkedQueue

　　2、实现阻塞接口的

　　java.util.concurrent 中加入了 BlockingQueue 接口和五个阻塞队列类。它实质上就是一种带有一点扭曲的 FIFO 数据结构。不是立即从队列中添加或者删除元素，线程执行操作阻塞，直到有空间或者元素可用。
　　五个队列所提供的各有不同：
　　 ArrayBlockingQueue ：一个由数组支持的有界队列。
　　 LinkedBlockingQueue ：一个由链接节点支持的可选有界队列。
　　 PriorityBlockingQueue ：一个由优先级堆支持的×××优先级队列。
　　 DelayQueue ：一个由优先级堆支持的、基于时间的调度队列。
　　* SynchronousQueue ：一个利用 BlockingQueue 接口的简单聚集（rendezvous）机制。
　　队列是Java中常用的数据结构，比如在线程池中就是用到了队列，比如消息队列等。

　　由队列先入先出的特性，我们知道队列数据的存储结构可以两种，一种是基于数组实现的，另一种则是基于单链实现。前者在创建的时候就已经确定了数组的长度，所以队列的长度是固定的，但是可以循环使用数组，所以这种队列也可以称之为循环队列。后者实现的队列内部通过指针指向形成一个队列，这种队列是单向且长度不固定，所以也称之为非循环队列。下面我将使用两种方式分别实现队列。

　　二、基于数组实现循环队列
　　由于在往队列中放数据或拉取数据的时候需要移动数组对应的下标，所以需要记录一下队尾和队头的位置。说一下几个核心的属性吧：

　　1、queue：队列，object类型的数组，用于存储数据，长度固定，当存储的数据数量大于数组当度则抛出异常；

　　2、head：队头指针，int类型，用于记录队列头部的位置信息。

　　3、tail：队尾指针，int类型，用于记录队列尾部的位置信息。

　　4、size：队列长度，队列长度大于等于0或者小于等于数组长度。

复制代码
/**

• 队列管道，当管道中存放的数据大于队列的长度时将不会再offer数据，直至从队列中poll数据后
  */
  private Object[] queue;
  //队列的头部，获取数据时总是从头部获取
  private int head;
  //队列尾部，push数据时总是从尾部添加
  private int tail;
  //队列长度
  private int size;
  //数组中能存放数据的最大容量
  private final static int MAX_CAPACITY = 1<<30;
  //数组长度
  private int capacity;
  //最大下标
  private int maxIndex;
  复制代码
  　　

　　三、数据结构

　　图中，红色部分即为队列的长度，数组的长度为16。因为这个队列是循环队列，所以队列的头部不一定要在队列尾部前面，只要队列的长度不大于数组的长度就可以了。

　　四、构造方法
　　1、MyQueue(int initialCapacity)：创建一个最大长度为 initialCapacity的队列。

　　2、MyQueue():创建一个默认最大长度的队列，默认长度为16；

复制代码
public MyQueue(int initialCapacity){
if (initialCapacity > MAX_CAPACITY)
throw new OutOfMemoryError("initialCapacity too large");
if (initialCapacity <= 0)
throw new IndexOutOfBoundsException("initialCapacity must be more than zero");
queue = new Object[initialCapacity];
capacity = initialCapacity;
maxIndex = initialCapacity - 1;
head = tail = -1;
size = 0;
}
public MyQueue(){
queue = new Object[16];
capacity = 16;
head = tail = -1;
size = 0;
maxIndex = 15;
}
复制代码

　　五、往队列添加数据
　　添加数据时，首先判断队列的长度是否超出了数组的长度，如果超出了就添加失败（也可以设置成等待，等到有人消费了队列里的数据，然后再添加进去）。都是从队列的尾部添加数据的，添加完数据后tail指针也会相应自增1。具体实现如一下代码：

复制代码
/**

• 往队列尾部添加数据
• @param object 数据
  */
  public void offer(Object object){
  if (size >= capacity){
  System.out.println("queue‘s size more than or equal to array‘s capacity");
  return;
  }
  if (++tail > maxIndex){
  tail = 0;
  }
  queue[tail] = object;
  size++;
  }
  复制代码

　　六、向队列中拉取数据
　　拉取数据是从队列头部拉取的，拉取完之后将该元素删除，队列的长度减一，head自增1。代码如下：

复制代码
/**

• 从队列头部拉出数据
• @return 返回队列的第一个数据
  */
  public Object poll(){
  if (size <= 0){
  System.out.println("the queue is null");
  return null;
  }
  if (++head > maxIndex){
  head = 0;
  }
  size--;
  Object old = queue[head];
  queue[head] = null;
  return old;
  }
  复制代码
  　　

　　七、其他方法
　　1、查看数据：这个方法跟拉取数据一样都是获取到队列头部的数据，区别是该方法不会将对头数据删除：

复制代码
/**

• 查看第一个数据
• @return
  */
  public Object peek(){
  return queue[head];
  }
  复制代码
  　　2、清空队列：

复制代码
/**

• 清空队列
  */
  public void clear(){
  for (int i = 0; i < queue.length; i++) {
  queue[i] = null;
  }
  tail = head = -1;
  size = 0;
  }
  复制代码
  　　完整的代码如下：

复制代码
/**

• 队列
  */
  public class MyQueue {

  /**

  • 队列管道，当管道中存放的数据大于队列的长度时将不会再offer数据，直至从队列中poll数据后
    */
    private Object[] queue;
    //队列的头部，获取数据时总是从头部获取
    private int head;
    //队列尾部，push数据时总是从尾部添加
    private int tail;
    //队列长度
    private int size;
    //数组中能存放数据的最大容量
    private final static int MAX_CAPACITY = 1<<30;
    //数组长度
    private int capacity;
    //最大下标
    private int maxIndex;

  public MyQueue(int initialCapacity){
  if (initialCapacity > MAX_CAPACITY)
  throw new OutOfMemoryError("initialCapacity too large");
  if (initialCapacity <= 0)
  throw new IndexOutOfBoundsException("initialCapacity must be more than zero");
  queue = new Object[initialCapacity];
  capacity = initialCapacity;
  maxIndex = initialCapacity - 1;
  head = tail = -1;
  size = 0;
  }
  public MyQueue(){
  queue = new Object[16];
  capacity = 16;
  head = tail = -1;
  size = 0;
  maxIndex = 15;
  }

  /**

  • 往队列尾部添加数据
  • @param object 数据
    */
    public void offer(Object object){
    if (size >= capacity){
    System.out.println("queue‘s size more than or equal to array‘s capacity");
    return;
    }
    if (++tail > maxIndex){
    tail = 0;
    }
    queue[tail] = object;
    size++;
    }

  /**

  • 从队列头部拉出数据
  • @return 返回队列的第一个数据
    */
    public Object poll(){
    if (size <= 0){
    System.out.println("the queue is null");
    return null;
    }
    if (++head > maxIndex){
    head = 0;
    }
    size--;
    Object old = queue[head];
    queue[head] = null;
    return old;
    }

  /**

  • 查看第一个数据
  • @return
    */
    public Object peek(){
    return queue[head];
    }

  /**

  • 队列中存储的数据量
  • @return
    */
    public int size(){
    return size;
    }

  /**

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

  /**

  • 清空队列
    */
    public void clear(){
    for (int i = 0; i < queue.length; i++) {
    queue[i] = null;
    }
    tail = head = -1;
    size = 0;
    }

  @Override
  public String toString() {
  if (size <= 0) return "{}";
  StringBuilder builder = new StringBuilder(size + 8);
  builder.append("{");
  int h = head;
  int count = 0;
  while (count < size){
  if (++h > maxIndex) h = 0;
  builder.append(queue[h]);
  builder.append(", ");
  count++;
  }
  return builder.substring(0,builder.length()-2) + "}";
  }
  }
  复制代码