列队 Queue 接口概述

news2024/10/6 8:21:53

在Java中，Queue（队列）是一种基本的数据结构，用于按照先进先出（FIFO）的顺序存储元素。Java提供了多种实现Queue接口的类，以下是几种常见的实现方式：

  1. LinkedList：LinkedList实现了Queue接口，并且支持队列的所有操作，包括添加元素到队尾、获取队头元素、删除队头元素等。
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
queue.add("element1"); // 添加元素到队尾
String element = queue.peek(); // 获取队头元素
String removedElement = queue.remove(); // 删除队头元素

2. ArrayDeque：ArrayDeque也实现了Queue接口，并且支持队列的操作。它使用可调整大小的数组来存储元素，可以在队列的两端进行高效地插入和删除操作。

Queue<String> queue = new ArrayDeque<>();
queue.offer("element1"); // 添加元素到队尾
String element = queue.peek(); // 获取队头元素
String removedElement = queue.poll(); // 删除队头元素

3. PriorityQueue：PriorityQueue是一种基于优先级的队列，它允许你根据元素的自然顺序或自定义的Comparator来确定元素的优先级。

Queue<Integer> queue = new PriorityQueue<>();
queue.offer(3); // 添加元素到队列并根据优先级排序
queue.offer(1);
queue.offer(2);
int element = queue.peek(); // 获取优先级最高的元素
int removedElement = queue.poll(); // 删除并返回优先级最高的元素

通过使用上述的Queue实现类，你可以根据具体的需求选择适合的队列实现，并进行相应的操作。

继承Queue的接口

Queue接口还可以被各种子接口继承：

  • Deque

  • BlockingQueue

  • BlockingDeque

Deque，BlockingQueue和BlockingDeque扩展了Queue接口。

队列数据结构的工作流程

在队列中，以先进先出的方式存储和访问元素。也就是说，从后面添加元素，从前面删除元素。

队列数据结构的工作：先进先出。

如何使用队列（Queue）？

在Java中，必须导入java.util.Queue包才能使用Queue。

// 使用 LinkedList 创建
Queue<String> animal1 = new LinkedList<>();

// 使用 ArrayDeque 创建
Queue<String> animal2 = new ArrayDeque<>();

// 使用 PriorityQueue创建
Queue<String> animal 3 = new PriorityQueue<>();

在这里，我们分别创建了类LinkedList，ArrayDeque和PriorityQueue的对象Animal1，Animal2和Animal3。 这些对象可以使用Queue接口的功能。

Queue的方法

Queue接口包括Collection接口的所有方法。 这是因为Collection是Queue的超级接口。

Queue接口的一些常用方法是：

  • add() - 将指定的元素插入队列。如果任务成功，则add()返回true，否则将引发异常。

  • offer() - 将指定的元素插入队列。如果任务成功，则offer()返回true，否则返回false。

  • element() - 返回队列的开头。如果队列为空，则引发异常。

  • peek() - 返回队列的开头。 如果队列为空，则返回null。

  • remove() - 返回并删除队列的头部。如果队列为空，则引发异常。

  • poll() - 返回并删除队列的开头。 如果队列为空，则返回null。

队列接口的实现

1.添加元素： 为了在队列中添加一个元素，我们可以使用add()方法。在PriorityQueue中不保留插入顺序。元素是根据优先级顺序存储的，默认是升序的。

例子

// Java program to add elements
// to a Queue
  
import java.util.*;
  
public class GFG {
  
    public static void main(String args[])
    {
        Queue<String> pq = new PriorityQueue<>();
  
        pq.add("Geeks");
        pq.add("For");
        pq.add("Geeks");
  
        System.out.println(pq);
    }
}

输出

[For, Geeks, Geeks]

2.删除元素： 为了从队列中删除一个元素，我们可以使用remove()方法。如果有多个这样的对象，那么第一个出现的对象将被删除。除此之外，poll()方法也被用来删除头部并返回。

例子

// Java program to remove elements
// from a Queue
  
import java.util.*;
  
public class GFG {
  
    public static void main(String args[])
    {
        Queue<String> pq = new PriorityQueue<>();
  
        pq.add("Geeks");
        pq.add("For");
        pq.add("Geeks");
  
        System.out.println("Initial Queue " + pq);
  
        pq.remove("Geeks");
  
        System.out.println("After Remove " + pq);
  
        System.out.println("Poll Method " + pq.poll());
  
        System.out.println("Final Queue " + pq);
    }
}

输出

Initial Queue [For, Geeks, Geeks]
After Remove [For, Geeks]
Poll Method For
Final Queue [Geeks]

3.遍历队列： 有多种方法来遍历队列。最著名的方法是将队列转换为数组并使用for循环进行遍历。然而，队列也有一个内置的迭代器，可以用来遍历队列。

例子

// Java program to iterate elements
// to a Queue
  
import java.util.*;
  
public class GFG {
  
    public static void main(String args[])
    {
        Queue<String> pq = new PriorityQueue<>();
  
        pq.add("Geeks");
        pq.add("For");
        pq.add("Geeks");
  
        Iterator iterator = pq.iterator();
  
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.print(iterator.next() + " ");
        }
    }
}

输出

For Geeks Geeks

队列的特点： 以下是队列的特点。

  • 队列用于在队列的末端插入元素，并从队列的开头删除。它遵循FIFO概念。
  • Java队列支持集合接口的所有方法，包括插入、删除等。
  • LinkedList、ArrayBlockingQueue和PriorityQueue是最常使用的实现方式。
  • 如果对阻塞队列进行任何空操作，就会抛出NullPointerException。
  • java.util包中的队列是无界队列。
  • java.util.concurrent包中的队列是有界队列。
  • 除了Deques之外，所有的队列都分别支持在队列的尾部和头部进行插入和删除。Deques支持两端的元素插入和删除。

实现队列接口的类

1.PriorityQueue： 在集合框架中实现的PriorityQueue类为我们提供了一种根据优先级来处理对象的方法。众所周知，队列遵循先入先出的算法，但有时需要根据优先级来处理队列中的元素，这时PriorityQueue就发挥作用了。让我们看看如何使用这个类来创建一个队列对象。

例子

import java.util.*;
  
class Zeus {
  
    public static void main(String args[])
    {
        // Creating empty priority queue
        Queue<Integer> pQueue
            = new PriorityQueue<Integer>();
  
        // Adding items to the pQueue
        // using add()
        pQueue.add(10);
        pQueue.add(20);
        pQueue.add(15);
  
        // Printing the top element of
        // the PriorityQueue
        System.out.println(pQueue.peek());
  
        // Printing the top element and removing it
        // from the PriorityQueue container
        System.out.println(pQueue.poll());
  
        // Printing the top element again
        System.out.println(pQueue.peek());
    }
}

输出

10
10
15

2. LinkedList： LinkedList是一个在集合框架中实现的类，它内在地实现了链接列表数据结构。它是一个线性数据结构，其中的元素不存储在连续的位置，每个元素都是一个独立的对象，有数据部分和地址部分。这些元素使用指针和地址进行链接。每个元素被称为一个节点。由于其动态性和易于插入和删除的特点，它们比数组或队列更受欢迎。让我们看看如何使用这个类来创建一个队列对象。

例子

import java.util.*;
  
class Zeus {
  
    public static void main(String args[])
    {
        // Creating empty LinkedList
        Queue<Integer> ll
            = new LinkedList<Integer>();
  
        // Adding items to the ll
        // using add()
        ll.add(10);
        ll.add(20);
        ll.add(15);
  
        // Printing the top element of
        // the LinkedList
        System.out.println(ll.peek());
  
        // Printing the top element and removing it
        // from the LinkedList container
        System.out.println(ll.poll());
  
        // Printing the top element again
        System.out.println(ll.peek());
    }
}

输出

10
10
20

3. PriorityBlockingQueue： 需要注意的是，PriorityQueue和LinkedList的实现都不是线程安全的。如果需要线程安全的实现，PriorityBlockingQueue是一个替代性的实现。PriorityBlockingQueue是一个无界的阻塞队列，它使用与PriorityQueue类相同的排序规则，并提供阻塞的检索操作。
因为它是无界的，添加元素有时会因为资源耗尽而失败，导致OutOfMemoryError。让我们看看如何使用这个类来创建一个队列对象。

例子

import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
import java.util.*;
  
class Zeus {
    public static void main(String args[])
    {
        // Creating empty priority
        // blocking queue
        Queue<Integer> pbq
            = new PriorityBlockingQueue<Integer>();
  
        // Adding items to the pbq
        // using add()
        pbq.add(10);
        pbq.add(20);
        pbq.add(15);
  
        // Printing the top element of
        // the PriorityBlockingQueue
        System.out.println(pbq.peek());
  
        // Printing the top element and
        // removing it from the
        // PriorityBlockingQueue
        System.out.println(pbq.poll());
  
        // Printing the top element again
        System.out.println(pbq.peek());
    }
}

输出

10
10
15

队列接口的方法

队列接口继承了集合接口中的所有方法，同时实现了以下方法。

方法描述
add(int index, element)这个方法用来在队列中的某个特定索引处添加一个元素。当一个参数被传递时，它只是在队列的末端添加元素。
addAll(int index, Collection collection)这个方法用来添加给定集合中的所有元素到队列中。当传递一个参数时，它在队列的末尾添加给定集合的所有元素。
size()该方法用于返回队列的大小。
clear()这个方法用来删除队列中的所有元素。然而，创建的队列的引用仍然被保存。
remove()这个方法用来从队列的前面删除元素。
remove(int index)这个方法从指定的索引中删除一个元素。它将随后的元素（如果有的话）向左移动并将它们的索引减少1。
remove(element)该方法用于删除并返回队列中第一次出现的给定元素。
get(int index)该方法返回指定索引的元素。
set(int index, element)这个方法用新的元素替换给定索引上的元素。这个函数返回刚刚被新元素替换的元素。
indexOf(element)该方法返回给定元素的第一次出现，如果该元素在队列中不存在，则返回 -1 。
lastIndexOf(element)该方法返回给定元素的最后一次出现，如果该元素在队列中不存在，则返回 -1 。
equals(element)该方法用于比较给定元素与队列中的元素是否相等。
hashCode()该方法用于返回给定队列的哈希代码值。
isEmpty()该方法用于检查队列是否为空。如果队列是空的，它返回 true，否则返回 false。
contains(element)该方法用于检查队列是否包含给定的元素。如果队列包含该元素，它返回真。
containsAll(Collection)该方法用于检查队列是否包含所有的元素集合。
sort(Comparator comp)该方法用于在给定的比较器的基础上对队列中的元素进行排序。
boolean add(object)该方法用于将指定的元素插入队列中，成功后返回true。
boolean offer(object)该方法用于将指定的元素插入队列中。
Object poll()该方法用于检索和删除队列的头部，如果队列是空的，则返回null。
Object element()这个方法用于检索，但不删除队列的头部。
Object peek()这个方法用来检索，但不删除这个队列的头部，如果这个队列是空的，则返回null。

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