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项目主页：https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos
本文源码：https://github.com/gozhuyinglong/blog-demos/tree/main/java-data-structures
1. 队列（queue）
队列和栈一样，也是一个操作受限制的线性表。不同的是队列的插入在一端进行，我们称为队尾（rear）；而删除（取出）在另一端进行，我们称为队头（front）。
队列是一个先进先出（FIFO - First In First Out）的有序列表，其操作只有两种：
- 入队（enqueue）：向队尾添加一个元素
- 出队（dequeue）：从队头删除（取出）一个元素
2. 队列的数组实现
如同栈一样，对队列的每一种操作，链表实现或数组实现都给出快速的运行时间。队列的链表实现是简单而直接的，我们就不过介绍了。下面我们讨论如何使用数组实现一个队列。
先看下图，我们需要声明一个数组，并维护两个指针：
- head指针：指向待出列的元素位置
- tail指针：指向待入列的存储位置
可以看出，到达队尾后无法再添加新的元素，然后前面已出列的位置还空着。
上面问题我们可以将数组进行首尾相连，形成一个环形数组，即指针到达数组尾部后，重新指向数组头部，如下图所示。
这里需要注意几点：
- 判断空队列可以通过head == tail
- 判断队列满不能再通过head与tail重合，而是需要空出一个存储空间来，即：head == tail + 1。而环形数组需要取模运算，所以正确判断队列满：head == (tail + 1) % capacity。
- 数组真实容量应为：指定容量 + 1
3. 代码实现
下面代码是使用环形数组实现的队列，所以又叫做环形队列。
其容量为：指定容量 + 1，head 与t ail 初始值为0。队列存储元素使用了泛型，所以可以操作你想用的数据类型。下面看具体实现：
public class ArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
ArrayQueue<Integer> queue = new ArrayQueue<>(5);
System.out.printf("头指针: %s\t尾指针: %s\t队列大小: %s\t容量: %s\n", queue.head, queue.tail, queue.size(), queue.capacity);
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.println("入队：1 --> " + queue.add(1));
System.out.println("入队：2 --> " + queue.add(2));
System.out.println("入队：3 --> " + queue.add(3));
System.out.println("入队：4 --> " + queue.add(4));
System.out.println("入队：5 --> " + queue.add(5));
System.out.printf("头指针: %s\t尾指针: %s\t队列大小: %s\t容量: %s\n", queue.head, queue.tail, queue.size(), queue.capacity);
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.println("入队：6 --> " + queue.add(6));
System.out.printf("头指针: %s\t尾指针: %s\t队列大小: %s\t容量: %s\n", queue.head, queue.tail, queue.size(), queue.capacity);
System.out.println("入队：7 --> " + queue.add(7));
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.printf("头指针: %s\t尾指针: %s\t队列大小: %s\t容量: %s\n", queue.head, queue.tail, queue.size(), queue.capacity);
System.out.println("入队：8 --> " + queue.add(8));
System.out.println("入队：9 --> " + queue.add(9));
System.out.printf("头指针: %s\t尾指针: %s\t队列大小: %s\t容量: %s\n", queue.head, queue.tail, queue.size(), queue.capacity);
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.println("出队： --> " + queue.get());
System.out.printf("头指针: %s\t尾指针: %s\t队列大小: %s\t容量: %s\n", queue.head, queue.tail, queue.size(), queue.capacity);
System.out.println("入队：10 --> " + queue.add(10));
System.out.printf("头指针: %s\t尾指针: %s\t队列大小: %s\t容量: %s\n", queue.head, queue.tail, queue.size(), queue.capacity);
}
private static class ArrayQueue<T> {
private final T[] queue; // 存储队列数据元素
private final int capacity; // 容量
private int head = 0; // 头部指针，指向队头元素
private int tail = 0; // 尾部指针，指向下一个待入队元素的存储位置
public ArrayQueue(int capacity) {
this.capacity = capacity + 1; // 环形队列需要空出一个位置，来满足队列满时head与tail不重合
this.queue = (T[]) new Object[this.capacity];
}
/**
* 向队列添加一个元素
*
* @param data
* @return
*/
public boolean add(T data) {
// 队列满，添加失败
if (isFull()) {
return false;
}
// tail指向下一个待入队元素的存储位置，所以先赋值再让指针加1
queue[tail] = data;
// 环形数组需要取模运算
tail = (tail + 1) % capacity;
return true;
}
/**
* 从队列中获取一个元素
*
* @return
*/
public T get() {
if (isEmpty()) {
return null;
}
// head指向头元素位置，所以先取出再让指针加1
T data = queue[head];
// 环形数组需要取模运算
head = (head + 1) % capacity;
return data;
}
/**
* 当前队列大小
*
* @return
*/
public int size() {
int size = tail - head;
if (size < 0) {
size += capacity;
}
return size;
}
/**
* 队列是否为空：当tail与head指向同一位置时，表示队列为空
*
* @return
*/
public boolean isEmpty() {
return tail == head;
}
/**
* 队列是否已满：因为预留了一个位置，所以tail需要加1；环形队列需要取模运算
*
* @return
*/
public boolean isFull() {
return head == (tail + 1) % capacity;
}
}
}
输出结果：
头指针: 0 尾指针: 0 队列大小: 0 容量: 6
出队： --> null
入队：1 --> true
入队：2 --> true
入队：3 --> true
入队：4 --> true
入队：5 --> true
头指针: 0 尾指针: 5 队列大小: 5 容量: 6
出队： --> 1
入队：6 --> true
头指针: 1 尾指针: 0 队列大小: 5 容量: 6
入队：7 --> false
出队： --> 2
出队： --> 3
头指针: 3 尾指针: 0 队列大小: 3 容量: 6
入队：8 --> true
入队：9 --> true
头指针: 3 尾指针: 2 队列大小: 5 容量: 6
出队： --> 4
出队： --> 5
出队： --> 6
出队： --> 8
出队： --> 9
头指针: 2 尾指针: 2 队列大小: 0 容量: 6
入队：10 --> true
头指针: 2 尾指针: 3 队列大小: 1 容量: 6
