队列（FIFO）详解

写在前面的话：

一枚自学Java和算法的工科妹子。

• 算法学习书目：算法（第四版） Robert Sedgewick
• 算法视频教程：Coursera  Algorithms Part1&2

本文是根据《算法（第四版）》的个人总结，如有错误，请批评指正。

一、队列的定义

先进先出队列（简称队列）是一种基于先进先出（FIFO）策略的集合类型。

当foreach语句迭代访问队列中的元素时，元素的处理顺序就是它们添加到队列中的顺序。

二、队列的实现

1.数组实现（可动态调整数组大小的队列）

import java.util.Iterator;
import java.util.NoSuchElementException;

public class ResizingArrayQueue<Item> implements Iterable<Item> {
    private Item[] q;       // queue elements
    private int n;          // number of elements on queue
    private int first;      // index of first element of queue
    private int last;       // index of next available slot

    public ResizingArrayQueue() {
        q = (Item[]) new Object[2];
        n = 0;
        first = 0;
        last = 0;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return n == 0;
    }

    public int size() {
        return n;
    }

    private void resize(int capacity) {
        assert capacity >= n;
        Item[] temp = (Item[]) new Object[capacity];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            temp[i] = q[(first + i) % q.length];
        }
        q = temp;
        first = 0;
        last  = n;
    }

    public void enqueue(Item item) {
        // double size of array if necessary and recopy to front of array
        if (n == q.length) resize(2*q.length);   // double size of array if necessary
        q[last++] = item;                        // add item
        if (last == q.length) last = 0;          // wrap-around
        n++;
    }

    public Item dequeue() {
        if (isEmpty()) throw new NoSuchElementException("Queue underflow");
        Item item = q[first];
        q[first] = null;                            // to avoid loitering
        n--;
        first++;
        if (first == q.length) first = 0;           // wrap-around
        // shrink size of array if necessary
        if (n > 0 && n == q.length/4) resize(q.length/2); 
        return item;
    }

    public Item peek() {
        if (isEmpty()) throw new NoSuchElementException("Queue underflow");
        return q[first];
    }

    public Iterator<Item> iterator() {
        return new ArrayIterator();
    }

    private class ArrayIterator implements Iterator<Item> {
        private int i = 0;
        public boolean hasNext()  { return i < n;                               }
        public void remove()      { throw new UnsupportedOperationException();  }

        public Item next() {
            if (!hasNext()) throw new NoSuchElementException();
            Item item = q[(i + first) % q.length];
            i++;
            return item;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ResizingArrayQueue<String> queue = new ResizingArrayQueue<String>();
        while (!StdIn.isEmpty()) {
            String item = StdIn.readString();
            if (!item.equals("-")) queue.enqueue(item);
            else if (!queue.isEmpty()) StdOut.print(queue.dequeue() + " ");
        }
        StdOut.println("(" + queue.size() + " left on queue)");
    }

}

2.链表实现

import java.util.Iterator;
import java.util.NoSuchElementException;

public class Queue<Item> implements Iterable<Item> {
    private Node<Item> first;    // beginning of queue
    private Node<Item> last;     // end of queue
    private int n;               // number of elements on queue

    // helper linked list class
    private static class Node<Item> {
        private Item item;
        private Node<Item> next;
    }

    public Queue() {
        first = null;
        last  = null;
        n = 0;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return first == null;
    }

    public int size() {
        return n;
    }

    public Item peek() {
        if (isEmpty()) throw new NoSuchElementException("Queue underflow");
        return first.item;
    }

   // 在表尾插入结点
    public void enqueue(Item item) {
        Node<Item> oldlast = last;
        last = new Node<Item>();
        last.item = item;
        last.next = null;
        if (isEmpty()) first = last;
        else           oldlast.next = last;
        n++;
    }

  // 在表头删除结点
    public Item dequeue() {
        if (isEmpty()) throw new NoSuchElementException("Queue underflow");
        Item item = first.item;
        first = first.next;
        n--;
        if (isEmpty()) last = null;   // to avoid loitering
        return item;
    }

    public String toString() {
        StringBuilder s = new StringBuilder();
        for (Item item : this) {
            s.append(item);
            s.append(' ');
        }
        return s.toString();
    } 
  
    public Iterator<Item> iterator()  {
        return new ListIterator<Item>(first);  
    }

    private class ListIterator<Item> implements Iterator<Item> {
        private Node<Item> current;

        public ListIterator(Node<Item> first) {
            current = first;
        }

        public boolean hasNext()  { return current != null;                     }
        public void remove()      { throw new UnsupportedOperationException();  }

        public Item next() {
            if (!hasNext()) throw new NoSuchElementException();
            Item item = current.item;
            current = current.next; 
            return item;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Queue<String> queue = new Queue<String>();
        while (!StdIn.isEmpty()) {
            String item = StdIn.readString();
            if (!item.equals("-"))
                queue.enqueue(item);
            else if (!queue.isEmpty())
                StdOut.print(queue.dequeue() + " ");
        }
        StdOut.println("(" + queue.size() + " left on queue)");
    }
}

 两种实现方式的比较见前一篇文章----下压栈（LIFO）详解。

三、队列的应用

In类的静态方法readInts()的一种实现

注意：《算法（第四版）》书中为了方便向文件中读取和写入原始数据类型（或String类型），提供了In和Out API。感兴趣的朋友可以去http://algs4.cs.princeton.edu/下载。

代码的解释：In类中的readInt()方法，其实就是用了Scanner中的nextInt()方法，读取一个整数；

                   Queue类是用链表实现的队列。

readInts()作用：这个方法为用例解决的问题是用例无需预先知道文件的大侠即可将文件中的所有整数读入一个数组中。

• 将文件中所有的整数读入队列（链表实现的）,用enqueue()方法；
• Queue类的size()方法得到队列中元素的数目，即确定数组的大小；
• 创建数组，并将队列的所有整数移动到数组中,用dequeue()方法。

队列之所以合适是因为它的先进先出策略，可以将所有的整数按照文件中的顺序放入数组中。

public static int[] readInts(String name){

    In in = new In(name);
    Queue<String> q = new Queue<String>;

    while(!in.isEmpty()){
    q.enqueue(in.readInt());
    }

    int N = q.size();
    int[] a = new int[N];
    for(int i = 0; i < N; i++)
         a[i]=q.dequeue();
     
    return a;
}

作者： 邹珍珍（Pearl_zhen）

出处： http://www.cnblogs.com/zouzz/

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