Java [数据结构] Deque与Queue

news2024/11/24 5:08:08

🤺深入理解 Java 中的 Deque 和 Queue🤺

在现代软件开发中，数据结构是构建高效、可维护代码的基础。

Java 作为一门广泛应用的编程语言，其丰富的集合框架（Collections Framework）为开发者提供了多种强大的数据结构，其中 Queue（队列）和 Deque（双端队列）尤为常见。本文将深入探讨 Java 中的 Queue 和 Deque，帮助你更好地理解和使用它们来解决实际问题。

队列和双端队列在日常编程中的应用场景非常广泛。无论是任务调度、缓存系统，还是处理广度优先搜索（BFS）算法，队列都能大显身手。而双端队列则进一步扩展了队列的功能，使得数据可以从两端插入和删除，增加了数据处理的灵活性。

本文将从概念、接口方法和具体实现三个方面，详细介绍 Queue 和 Deque 的基本原理及其在 Java 中的具体应用。通过对比这两种数据结构的异同，希望读者能够更好地选择和使用它们，提高程序的性能和可读性。

接下来，让我们首先了解 Queue 的基本概念及其在 Java 中的实现。

Queue（队列）使用Deque

概念

队列是一种先进先出（FIFO，First-In-First-Out）的数据结构。
常用于排队系统，如任务调度、缓冲区等。

主要接口方法

boolean add(E e): 将元素添加到队列尾部，如果成功返回 true，如果失败（例如容量限制）抛出异常。
boolean offer(E e): 将元素添加到队列尾部，如果成功返回 true，如果失败返回 false。
E remove(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空抛出异常。
E poll(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空返回 null。
E element(): 返回队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空抛出异常。
E peek(): 返回队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空返回 null。

实现类

LinkedList
PriorityQueue
ArrayDeque
ConcurrentLinkedQueue
LinkedBlockingQueue
ArrayBlockingQueue

import java.util.Deque;
import java.util.ArrayDeque;

public class QueueUsingDequeDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个ArrayDeque实例，当作单向队列使用
        Deque<String> queue = new ArrayDeque<>();

        // 入队操作：在队列尾部添加元素
        queue.offer("苹果");
        queue.offer("香蕉");
        queue.offer("樱桃");

        System.out.println("当前队列: " + queue);

        // 出队操作：从队列头部移除并获取元素
        String firstFruit = queue.poll();
        if (firstFruit != null) {
            System.out.println("出队元素: " + firstFruit);
            System.out.println("出队后队列: " + queue);
        } else {
            System.out.println("队列为空，无法出队。");
        }

        // 检查队列是否为空
        boolean isEmpty = queue.isEmpty();
        System.out.println("队列是否为空? " + isEmpty);
    }
}

Deque（双端队列）

概念

双端队列是一种可以在两端进行插入和删除操作的数据结构。
支持既可以作为队列使用（FIFO），也可以作为栈使用（LIFO，Last-In-First-Out）。

主要接口方法

插入操作：
- void addFirst(E e): 在队列的头部添加元素，如果失败抛出异常。
- void addLast(E e): 在队列的尾部添加元素，如果失败抛出异常。
- boolean offerFirst(E e): 在队列的头部添加元素，如果成功返回 true，如果失败返回 false。
- boolean offerLast(E e): 在队列的尾部添加元素，如果成功返回 true，如果失败返回 false。
移除操作：
- E removeFirst(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空抛出异常。
- E removeLast(): 移除并返回队列尾部的元素，如果队列为空抛出异常。
- E pollFirst(): 移除并返回队列头部的元素，如果队列为空返回 null。
- E pollLast(): 移除并返回队列尾部的元素，如果队列为空返回 null。
检查操作：
- E getFirst(): 返回队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空抛出异常。
- E getLast(): 返回队列尾部的元素，但不移除它，如果队列为空抛出异常。
- E peekFirst(): 返回队列头部的元素，但不移除它，如果队列为空返回 null。
- E peekLast(): 返回队列尾部的元素，但不移除它，如果队列为空返回 null。

实现类都可以

LinkedList
ArrayDeque
LinkedBlockingDeque

import java.util.Deque;
import java.util.ArrayDeque;

public class DequeDemo {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个ArrayDeque实例
        Deque<String> deque = new ArrayDeque<>();

        deque.addFirst("你好");

        // 在队列末尾添加元素
        deque.addLast("苹果");
        deque.addLast("香蕉");
        deque.addLast("樱桃");

        System.out.println("初始双端队列: " + deque);

        // 在队列开头添加元素
        deque.addFirst("火龙果");

        System.out.println("在队首添加后: " + deque);

        // 从队列开头移除并获取元素
        String firstFruit = deque.removeFirst();
        String s = deque.pollFirst();

        System.out.println("从队首1移除: " + firstFruit);
        System.out.println("从队首2移除: " + s);

        System.out.println("移除后双端队列: " + deque);

        // 从队列末尾移除并获取元素
        String lastFruit = deque.removeLast();
        System.out.println("从队尾移除: " + lastFruit);
        System.out.println("再次移除后双端队列: " + deque);

        // 检查双端队列是否为空
        boolean isDequeEmpty = deque.isEmpty();
        System.out.println("大小" + deque.size());
        System.out.println("双端队列是否为空? " + isDequeEmpty);
    }
}