基础数据结构 -- 队列

news2024/11/23 18:26:10

1. 简介

Java中的数据结构队列（Queue）是一种线性表，其特殊之处在于它只允许在表的后端进行插入操作，在表的前端进行删除操作。这种先进先出（FIFO，First In First Out）的结构类似于现实生活中的排队，最早等待的人将最先得到服务。

2. 特点

队列的特点特别简单，先进先出。

2.1 分类

单向队列（Queue）：只能在一端插入数据，在另一端删除数据。
双向队列（Deque）：每一端都可以进行插入数据和删除数据操作。
优先级队列（PriorityQueue）：数据项按照关键字排序，关键字最小（或最大）的数据项通常位于队列最前面。

2.2 图解

栈的主要功能也很简单，无非就是队列的操作包括入队（add/offer）、出队（poll/remove）、查看队头元素（peek/element）。由于这种限制，队列中元素的移除顺序与添加顺序相想通，体现了先进先出的特性。

实现的基本方式：

顺序存储结构：使用数组实现的顺序队列需要维护一个队尾指针，并注意处理数组边界溢出的问题，通常通过循环队列的方式来优化。
链式存储结构：链式队列使用链表实现，每个节点包含数据和指向下一个节点的指针，这种结构可以灵活地处理队列的扩展和收缩。

2.2 结构

java中的队列，几乎都与Collection有关。使用队列时可以通过ArrayList和LinkedList等数据结构去实现，也是给足了选择性。

Queue

Deque

PriorityQueue

jdk中的接口也很简洁

Queue

Deque

PriorityQueue

主要的三个常用功能：

boolean add(E e); / boolean offer(E e);	将元素添加到队列末尾，若添加成功则返回true。
E poll(); / E remove();	从队首删除并返回该元素。
E peek(); / E element();	返回队首元素，但不删除。

2.3 使用

2.3.1 Queue

public class QueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个队列
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();

        // 向队列中添加元素
        queue.add(1);
        queue.add(2);
        queue.add(3);

        // 查看队列头部元素
        System.out.println("队列头部元素：" + queue.peek());

        // 从队列中删除元素
        System.out.println("出队元素：" + queue.poll());

        // 遍历队列中的元素
        System.out.println("队列中的元素：");
        for (Integer element : queue) {
            System.out.println(element);
        }
    }
}


// 结果
队列头部元素：1
出队元素：1
队列中的元素：
2
3

2.3.2 Deque

public class QueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个栈
        Deque<Integer> queue = new ArrayDeque<>();

        // 向栈中添加元素
        queue.push(1);
        queue.push(2);
        queue.push(3);

        // 查看栈顶元素
        System.out.println("栈顶元素：" + queue.peek());

        // 从栈中删除元素
        System.out.println("出栈元素：" + queue.pop());

        // 遍历栈中的元素
        System.out.println("栈中的元素：");
        for (Integer element : queue) {
            System.out.println(element);
        }
    }
}

// 结果
栈顶元素：3
出栈元素：3
栈中的元素：
2
1

2.3.3 PriorityQueue

public class PriorityQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个优先队列
        PriorityQueue<Integer> priorityQueue = new PriorityQueue<>();

        // 向优先队列中添加元素
        priorityQueue.add(3);
        priorityQueue.add(1);
        priorityQueue.add(2);

        // 查看优先队列头部元素
        System.out.println("优先队列头部元素：" + priorityQueue.peek());

        // 从优先队列中删除元素
        System.out.println("出队元素：" + priorityQueue.poll());

        // 遍历优先队列中的元素
        System.out.println("优先队列中的元素：");
        for (Integer element : priorityQueue) {
            System.out.println(element);
        }
    }
}

// 结果
优先队列头部元素：1
出队元素：1
优先队列中的元素：
2
3

3. 用途

消息处理与任务排队
- 异步处理：当消息或任务处理时间较长时，使用队列可以避免因长时间等待而造成的用户界面冻结或响应延迟。
- 生产者-消费者问题：在多线程环境中，队列可以用作生产者和消费者之间的缓冲区，生产者将数据入队，消费者从队列中取出数据进行处理。
数据结构和算法实现
- 广度优先搜索（BFS）：在图算法中，队列用于实现BFS，以逐层访问节点的方式遍历图结构。
网络请求管理
- 请求缓存：服务器端可以使用队列来缓存和管理来自客户端的请求，以便按接收顺序进行处理。
缓存系统
- 数据缓冲：队列用于临时存储数据，平衡读写操作，提高系统的响应速度和吞吐量。
游戏开发
- 玩家动作排队：在游戏中，玩家的动作可以排队处理，确保游戏的公平性和逻辑正确性。
日志记录
- 日志排序：应用程序使用队列来收集日志信息，确保日志按照产生的顺序被记录和处理。