Java数据结构和算法(1)之队列

2021-02-18 21:20

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 1 package com.ys.datastructure;
 2  
 3 public class MyQueue {
 4     private Object[] queArray;
 5     //队列总大小
 6     private int maxSize;
 7     //前端
 8     private int front;
 9     //后端
10     private int rear;
11     //队列中元素的实际数目
12     private int nItems;
13      
14     public MyQueue(int s){
15         maxSize = s;
16         queArray = new Object[maxSize];
17         front = 0;
18         rear = -1;
19         nItems = 0;
20     }
21      
22     //队列中新增数据
23     public void insert(int value){
24         if(isFull()){
25             System.out.println("队列已满!!!");
26         }else{
27             //如果队列尾部指向顶了,那么循环回来,执行队列的第一个元素
28             if(rear == maxSize -1){
29                 rear = -1;
30             }
31             //队尾指针加1,然后在队尾指针处插入新的数据
32             queArray[++rear] = value;
33             nItems++;
34         }
35     }
36      
37     //移除数据
38     public Object remove(){
39         Object removeValue = null ;
40         if(!isEmpty()){
41             removeValue = queArray[front];
42             queArray[front] = null;
43             front++;
44             if(front == maxSize){
45                 front = 0;
46             }
47             nItems--;
48             return removeValue;
49         }
50         return removeValue;
51     }
52      
53     //查看对头数据
54     public Object peekFront(){
55         return queArray[front];
56     }
57      
58      
59     //判断队列是否满了
60     public boolean isFull(){
61         return (nItems == maxSize);
62     }
63      
64     //判断队列是否为空
65     public boolean isEmpty(){
66         return (nItems ==0);
67     }
68      
69     //返回队列的大小
70     public int getSize(){
71         return nItems;
72     }
73      
74 }
75 //测试类
76 package com.ys.test;
77  
78 import com.ys.datastructure.MyQueue;
79  
80 public class MyQueueTest {
81     public static void main(String[] args) {
82         MyQueue queue = new MyQueue(3);
83         queue.insert(1);
84         queue.insert(2);
85         queue.insert(3);//queArray数组数据为[1,2,3]
86          
87         System.out.println(queue.peekFront()); //1
88         queue.remove();//queArray数组数据为[null,2,3]
89         System.out.println(queue.peekFront()); //2
90          
91         queue.insert(4);//queArray数组数据为[4,2,3]
92         queue.insert(5);//队列已满,queArray数组数据为[4,2,3]
93     }
94  
95 }

3、双端队列

双端队列就是一个两端都是结尾或者开头的队列, 队列的每一端都可以进行插入数据项和移除数据项,这些方法可以叫做:

  insertRight()、insertLeft()、removeLeft()、removeRight()

  如果严格禁止调用insertLeft()和removeLeft()(或禁用右端操作),那么双端队列的功能就和前面讲的栈功能一样。

  如果严格禁止调用insertLeft()和removeRight(或相反的另一对方法),那么双端队列的功能就和单向队列一样了。

4、优先级队列

 优先级队列(priority queue)是比栈和队列更专用的数据结构,在优先级队列中,数据项按照关键字进行排序,关键字最小(或者最大)的数据项往往在队列的最前面,而数据项在插入的时候都会插入到合适的位置以确保队列的有序。

  优先级队列 是0个或多个元素的集合,每个元素都有一个优先权,对优先级队列执行的操作有:

  (1)查找

  (2)插入一个新元素

  (3)删除

  一般情况下,查找操作用来搜索优先权最大的元素,删除操作用来删除该元素 。对于优先权相同的元素,可按先进先出次序处理或按任意优先权进行。

  这里我们用数组实现优先级队列,这种方法插入比较慢,但是它比较简单,适用于数据量比较小并且不是特别注重插入速度的情况。

  后面我们会讲解堆,用堆的数据结构来实现优先级队列,可以相当快的插入数据

  数组实现优先级队列,声明为int类型的数组,关键字是数组里面的元素,在插入的时候按照从大到小的顺序排列,也就是越小的元素优先级越高

  

 1 package com.ys.datastructure;
 2  
 3 public class PriorityQue {
 4     private int maxSize;
 5     private int[] priQueArray;
 6     private int nItems;
 7      
 8     public PriorityQue(int s){
 9         maxSize = s;
10         priQueArray = new int[maxSize];
11         nItems = 0;
12     }
13      
14     //插入数据
15     public void insert(int value){
16         int j;
17         if(nItems == 0){
18             priQueArray[nItems++] = value;
19         }else{
20             j = nItems -1;
21             //选择的排序方法是插入排序,按照从大到小的顺序排列,越小的越在队列的顶端
22             while(j >=0 && value > priQueArray[j]){
23                 priQueArray[j+1] = priQueArray[j];
24                 j--;
25             }
26             priQueArray[j+1] = value;
27             nItems++;
28         }
29     }
30      
31     //移除数据,由于是按照大小排序的,所以移除数据我们指针向下移动
32     //被移除的地方由于是int类型的,不能设置为null,这里的做法是设置为 -1
33     public int remove(){
34         int k = nItems -1;
35         int value = priQueArray[k];
36         priQueArray[k] = -1;//-1表示这个位置的数据被移除了
37         nItems--;
38         return value;
39     }
40      
41     //查看优先级最高的元素
42     public int peekMin(){
43         return priQueArray[nItems-1];
44     }
45      
46     //判断是否为空
47     public boolean isEmpty(){
48         return (nItems == 0);
49     }
50      
51     //判断是否满了
52     public boolean isFull(){
53         return (nItems == maxSize);
54     }
55  
56 }

 insert() 方法,先检查队列中是否有数据项,如果没有,则直接插入到下标为0的单元里,否则,从数组顶部开始比较,找到比插入值小的位置进行插入,并把 nItems 加1.

  remove 方法直接获取顶部元素。

  优先级队列的插入操作需要 O(N)的时间,而删除操作则需要O(1) 的时间,后面会讲解如何通过 堆 来改进插入时间。

5、总结

我们介绍了队列的三种形式,分别是单向队列、双向队列以及优先级队列。其实大家听名字也可以听得出来他们之间的区别,单向队列遵循先进先出的原则,而且一端只能插入,另一端只能删除。双向队列则两端都可插入和删除,如果限制双向队列的某一段的方法,则可以达到和单向队列同样的功能。最后优先级队列,则是在插入元素的时候进行了优先级别排序,在实际应用中单项队列和优先级队列使用的比较多。后面讲解了堆这种数据结构,我们会用堆来实现优先级队列,改善优先级队列插入元素的时间。

  通过前面讲的栈以及本篇讲的队列这两种数据结构,我们稍微总结一下:

  ①、栈、队列(单向队列)、优先级队列通常是用来简化某些程序操作的数据结构,而不是主要作为存储数据的。

  ②、在这些数据结构中,只有一个数据项可以被访问。

  ③、栈允许在栈顶压入(插入)数据,在栈顶弹出(移除)数据,但是只能访问最后一个插入的数据项,也就是栈顶元素。

  ④、队列(单向队列)只能在队尾插入数据,对头删除数据,并且只能访问对头的数据。而且队列还可以实现循环队列,它基于数组,数组下标可以从数组末端绕回到数组的开始位置。

  ⑤、优先级队列是有序的插入数据,并且只能访问当前元素中优先级别最大(或最小)的元素。

  ⑥、这些数据结构都能由数组实现,但是可以用别的机制(后面讲的链表、堆等数据结构)实现。


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