数据结构和算法模块——队列(多例子+图文)

一文帮你看懂队列

什么是线性表

为什么要学习线性表,它有什么用处和好处?

线性表是一种基本的数据结构,它具有以下优点:

  • 线性表操作简单,易于实现,并且可以在O(1)的时间内访问某个元素。
  • 线性表支持动态扩容,可以根据需要动态地增加或减少元素。
  • 线性表可以方便地进行遍历和排序等操作。
  • 线性表是其他高级数据结构的基础,如栈和队列等,因此学习线性表是学习其他数据结构的必要前提。
    所以我们本篇从线性表为开端,不断去探索更高级的应用。希望我的总结可以帮助到你。

基本概念

线性表是最基本、最简单、也是最常用的一种数据结构。线性表(linear list)是数据结构的一种,一个线性表是n个具有相同特性的数据元素的有限序列(数据元素是一个抽象的符号,其具体含义在不同的情况下一般不同)。

在稍复杂的线性表中,一个数据元素可由多个数据项(item)组成,此种情况下常把数据元素称为记录(record),含有大量记录的线性表又称文件(file)。

分类

  • 我们说"线性"和"非线性",只在逻辑层次上讨论,而不考虑存储层次,所以双向链表和循环链表依旧是线性表。
  • 数据结构逻辑层次上细分,线性表可分为一般线性表和受限线性表
    一般线性表也就是我们通常所说的"线性表",可以自由的删除或添加结点。
    受限线性表主要包括栈和队列,受限表示对结点的操作受限制。

存储结构

线性表主要由顺序表示或链式表示。

  • 顺序:表示指的是用一组地址连续的存储单元 依次存储线性表的数据元素,称为线性表的顺序存储结构或顺序映像(sequential mapping)。它以"物理位置相邻"来表示线性表中数据元素间的逻辑关系,可随机存取表中任一元素。
  • 链式:是用一组任意的存储单元存储 线性表中的数据元素,称为线性表的链式存储结构。
    它的存储单元可以是连续的,也可以是不连续的。
    在表示数据元素之间的逻辑关系时,除了存储其本身的信息之外,还需存储一个指示其直接后继的信息(即直接后继的存储位置) ,这两部分信息组成数据元素的存储映像,称为结点(node)。
    node里面存在两个域;存储数据元素信息的域称为数据域 ;存储直接后继存储位置的域称为指针域。指针域中存储的信息称为指针或链

结构特点

  • 均匀性:虽然不同数据表的数据元素可以是各种各样的,但对于同一线性表的各数据元素必定具有相同的数据类型和长度
  • 有序性:各数据元素在线性表中的位置只取决于它们的序号,数据元素之前的相对位置是 线性的。
    即存在唯一的"第一个"和"最后一个"的数据元素,除了第一个和最后一个外,其它元素前面均只有一个数据元素(直接前驱)和后面均只有一个数据元素(直接后继)。

队列

为什么要学习队列?

队列是一种常见的数据结构,它具有先进先出(FIFO)的特点,也就是说,先加入队列的元素最先被取出。学习队列数据结构可以帮助我们解决很多实际问题,例如:

广度优先搜索 :队列常常用于广度优先搜索算法中,这种算法可以用来解决图论、树论等各种问题。

举个例子来说:假设我们要在一个图中查找两个节点之间的最短路径,广度优先搜索算法可以用队列来实现,首先将起点加入队列,然后不断从队列中取出元素进行扩展,直到找到目标节点为止。

资源分配 :队列可以用来对资源进行排队,确保资源被公平地分配,不会出现某些任务一直占用资源的情况。

举个例子来说:假设一个银行有多个窗口,每个窗口都可以为客户办理业务,为了保证公平性,可以使用队列对客户进行排队,每当一个窗口空闲下来,就从队列中取出一个客户为其服务。

线程池 :在并发编程中,队列可以用来实现线程池,让任务按照顺序执行。

举个例子来说:在一个 Web 服务器中,当有大量请求到来时,可以使用线程池来处理这些请求,将请求加入队列中,然后由线程池中的线程来处理队列中的任务。

缓存 :队列可以用来实现缓存,将数据暂存到队列中,再从队列中取出,这样可以降低系统负载,提高响应速度。

举个例子来说:假设我们要从数据库中读取数据,并且这些数据是经常访问的,为了减少数据库的访问压力,可以将数据缓存到队列中,当需要访问数据时,先从队列中查找,如果队列中没有数据,则再从数据库中读取数据。

消息传递 :队列可以用来实现消息传递,将消息加入队列中,等待被处理,这种机制被广泛用于分布式系统和消息队列中。

举个例子来说:在分布式系统中,不同的节点之间需要进行通信,可以使用消息队列来实现,例如一个节点需要向另一个节点发送消息,就可以将消息加入消息队列中,然后由另一个节点来处理队列中的消息。这种机制可以保证消息的可靠传递,避免消息丢失和重复传递等问题。

基本概念

数据结构

队列是一种操作受限制的线性表,它是一种先进先出(FIFO)的数据结构。通常使用数组或链表来存储数据。队列有两个指针,一个指向队列的头部,另一个指向队列的尾部,用于插入和删除元素。

队列的继承关系:

基本操作
  • offer / add: 入队操作,添加元素
  • poll / remove:出队操作,返回队列首元素并删除
  • peek / element:出队操作,获取队列首元素不删除
  • isEmpty():判断队列是否为空
    我们可以看到,源码部分中,Queue是一个接口抽象的类,那么它的实现类都有什么呢?
    我们最常见的是LinkedList。所以我们用LinkedList做一个测试。
java 复制代码
  Queue<Integer> queue =new LinkedList<>();
        queue.add(1);
        queue.offer(2);
        queue.offer(3);
        System.out.println(queue);  //添加3个数据后的状态
        queue.poll();
        System.out.println(queue); //出队一次后的状态
        queue.remove();
        System.out.println(queue);   //又出队一次的状态
        System.out.println(queue.peek()); //打印 输出首元素(但不删除)
        System.out.println(queue.isEmpty()); //判断是否为空

结果:

待填坑

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