Java 使用链表实现队列及性能比较

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使用链表来实现队列

下面改进链表使链表带有尾指针。

为最后一个节点添加一个指针tail做标记。

此时在head和tail两端添加节点是非常容易的。

由于链表可能不是对称的，所以在tail删除节点可能不太容易。要删除tail位置的节点，需要找到tail之前位置的节点。

怎么找到呢？还是需要从head头节点位置开始遍历寻找，所以时间复杂度还是O(n)的。

由于tail端删除元素不容易，所以要实现链表队列的话，需要以head端作为队尾删除元素，从tail端作为队首添加元素。

由于操作中不涉及中间元素的插入，所以不做虚拟头结点设置。

Queue接口:

public interface Queue<E> {

    int getSize();
    boolean isEmpty();
    void enqueue(E e);
    E dequeue();
    E getFront();
}

链表队列：

public class LinkedListQueue<E> implements Queue<E> {

    private class Node{
        public E e;
        public Node next;

        public Node(E e, Node next){
            this.e = e;
            this.next = next;
        }

        public Node(E e){
            this(e, null);
        }

        public Node(){
            this(null, null);
        }

        @Override
        public String toString(){
            return e.toString();
        }
    }

    private Node head, tail;
    private int size;

    public LinkedListQueue(){
        head = null;
        tail = null;
        size = 0;
    }

    @Override
    public int getSize(){
        return size;
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return size == 0;
    }

    //入队操作
    @Override
    public void enqueue(E e){
        if(tail == null){
            //尾部插一个元素
            tail = new Node(e);
            head = tail;
        }
        else{
            //tail.next插入一个元素
            tail.next = new Node(e);
            tail = tail.next;
        }
        size ++;
    }

    //出队操作
    @Override
    public E dequeue(){
        if(isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue.");
        }
        //出队元素
        Node retNode = head;
        head = head.next;
        retNode.next = null;
        if(head == null) {
            tail = null;
		}
        size --;
        return retNode.e;
    }

    //查看队首元素
    @Override
    public E getFront(){
        if(isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("Queue is empty.");
		}
        return head.e;
    }

    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("Queue: front ");

        Node cur = head;
        while(cur != null) {
            res.append(cur + "->");
            cur = cur.next;
        }
        res.append("NULL tail");
        return res.toString();
    }

    public static void main(String[] args){

        LinkedListQueue<Integer> queue = new LinkedListQueue<>();
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i ++){
            queue.enqueue(i);
            System.out.println(queue);

            if(i % 3 == 2){
                queue.dequeue();
                System.out.println(queue);
            }
        }
    }
}

运行效果：

下面对数组循环队列及链表队列进行性能比较：

import java.util.Random;

public class Main {

    // 测试使用q运行opCount个enqueueu和dequeue操作所需要的时间，单位：秒
    private static double testQueue(Queue<Integer> q, int opCount){

        long startTime = System.nanoTime();

        Random random = new Random();
        for(int i = 0 ; i < opCount ; i ++)
            q.enqueue(random.nextInt(Integer.MAX_VALUE));
        for(int i = 0 ; i < opCount ; i ++)
            q.dequeue();

        long endTime = System.nanoTime();

        return (endTime - startTime) / 1000000000.0;
    }

    public static void main(String[] args) {

        int opCount = 100000;

        LoopQueue<Integer> loopQueue = new LoopQueue<>();
        double time1 = testQueue(loopQueue, opCount);
        System.out.println("LoopQueue, time: " + time1 + " s");

        LinkedListQueue<Integer> linkedListQueue = new LinkedListQueue<>();
        double time2 = testQueue(linkedListQueue, opCount);
        System.out.println("LinkedListQueue, time: " + time1 + " s");
    }
}

可以看出两者性能差距不大。