作者前言
大家好,我是阿濠,今篇内容跟大家分享的是数据结构之队列,很高兴分享到segmentfault与大家一起学习交流,初次见面请大家多多关照,一起学习进步.
一、什么是消息队列
官方定义：队列（quene）是允许在一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作的线性表
1.队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。
2.遵循先入先出的原则。即:先存入队列的数据，要先取出。后存入的要后取出
比如春运时的标语排队走得了、走的及时、走得安全、走的舒适
优先排队的人, 优先处理. (买票, 结账, WC)
队列的插入和删除
对于栈来说，只需要一个栈顶指针就可以了。
但是对于队列来讲，需要两个指针：一个是head指针，指向队头，一个tail指针，指向队尾。
这里图中初始化无数据的时候队首和队尾都为-1,
当有数据增加的时候,队尾在变化,而队首没有变化,说明是队首添加数据
当有数据取出的时候,队首在变化,而队尾没有变化,说明是队尾去除数据
二、消息队列实现方式
数组模拟队列
➢队列本身是有序列表，若使用数组的结构来存储队列的数据，则队列数组的声明如下图,其中maxSize是该队列的最大容量。
➢因为队列的输出、输入是分别从前后端来处理，因此需要两个变量front及rear分别记录队列前后端的下标
使用front记录队首、使用rear记录队尾
front 会随着数据输出而改变代表取出数据,而rear则是随着数据输入而改变代表添加数据
如图所示:
当我们将数据存入队列时称为"addQueue",思路分析如下：
1.判断队列是否满或是否为空,然后才将队尾指针rear往后移：rear+1
2.队尾指针rear小于数组长度-1可以添加,若队尾指针rear==maxSize-1则代表队列已满
编写代码如下：
//使用数组模拟队列-编写ArrayQueue类
public class ArrayQueue {
private int maxSize; //表示数组的最大容量
private int front; //队列头
private int rear; //队列尾
private int[] arr; //该数据用于存放数据，模拟队列
//创建队列的构造器
public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[maxSize];//初始化数组
front = -1; //指向队列头部,即返回即第一个数据的前一个位置
rear = -1;//指向队列尾部,即返回队列尾的数据(即包含队列最后一个数据)
}
//判断队列是否已满
public boolean isFull(){
return rear==maxSize-1;
}
//判断队列是否为空
public boolean isEmpty(){
return rear==front;
}
//添加数据到队列
public void addQueue(int n){
//判断队列是否已满,已满不可添加
if(isFull()){
System.out.println("队列已满,无法添加数据");
return ;
}
//后移并添加数据
arr[++rear]=n;
}
//从队列取出数据
public int getQueue(){
if(isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列为空,不能取出数据");
//无需在return 因为throw有带return
}
//取出数据后,队头需要往后移,然后返回数据
return arr[++front];
}
//打印队列里的数据
public void showQueue() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空,无法打印数据");
return;
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
}
}
//打印队列头部数据
public int showheadQueue(){
//判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空,没有数据");
}
return arr[front+1];
}
}现在添加数据完成方法测试看看队列
//创建一个队列
ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
System.out.println("打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();//打印队列数据
System.out.println("\n添加数据：10");
arrayQueue.addQueue(10);//添加一个数据10
System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();//打印队列数据
//打印头部数据
System.out.println("\n\n显示队列队首信息:"+arrayQueue.showheadQueue());
运行结果如下：
打印队列数据----------------
队列为空,无法打印数据
添加数据：10
打印队列数据----------------
arr[0]=10 arr[1]=0 arr[2]=0
显示队列队首信息:10
现在数据添加成功、打印数据添加成功、输出队首数据成功,那么继续添加数据看看
System.out.println("\n添加数据：20");
arrayQueue.addQueue(20);//添加一个数据10
System.out.println("\n添加数据：30");
arrayQueue.addQueue(30);//添加一个数据10
System.out.println("\n添加数据：40");
arrayQueue.addQueue(40);//添加一个数据10那么打印看看会是什么结果呢？
添加数据：20
添加数据：30
添加数据：40
队列已满,无法添加数据我们发现队列空间为三,再次添加第四个数据的时候,就会出现队列已满无法添加数据的异常
那么我们这样使用数组模拟队列,有没有问题呢？
答案是有的,即数据取出后指向队首的指针上去了，虽然之前的空间没有数据了但无法再次使用了。再次添加数据的时候显示队列已满
问题分析并优化
1.目前数组使用一次就不能再次使用,没有达到复用的效果
2.将数组使用算法,改成环形数组模拟环形队列,使用%
数组模拟环形队列
如何将数组转换成模拟循环队列呢？
思路分析如下：
1.front指针作用进行调整：front指向数组第一个元素，初始值front=0
2.rear指针作用进行调整：rear指向队列的最后一个元素后一个元素,初始值rear=0
原先rear指向的是最后一个元素,现在指向最后一个元素后一个元素为空做约定,这样队列满了之后队首数据front前面元素就为空了,在前一个元素就是队列里的最后一个元素了
3.当队列满时,条件是：(rear+1)%maxSize==front
原先线性数组判断满的条件为rear=maxSize-1，没有考虑复用，即现在是一个环，那么此时的条件=(rear+1)%maxSize==front
4.当队列为空的条件：rear==front
5.队列中有效的个数：(rear+maxSize-front)%maxSize
编写代码如下：
public class CircleArray {
private int maxSize; //表示数组的最大容量
//front 就指向队列的第一个元素,也就是说arr[ front]
//front的初始值= 0
private int front;
//rear指向队列的最后一个元素的后一个位置。因为希望空出一个位置做约定区分队列满没满
//rear的初始值= 0
private int rear; //队列尾.
private int[] arr; //该数据用于存放数据，模拟队列
public CircleArray(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[maxSize];
}
//判断队列是否满
public boolean isFu1l () {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
//判断队列是否为空
public boolean isEmpty(){
return rear==front;
}
//添加数据到队列
public void addQueue(int n) {
//判断队列是否满
if (isFu1l()) {
System.out.println("队列满,不能加入数据~");
return;
}
//因为rear本身指向最后一个元素的后一个位置
//所以直接赋值,在将rear后移
arr[rear] = n;
//rear往后移需要% 即使回到前面有空余的空间位置
//因为环形队列是一个环,不能像线性数组直接++ 会造成数组越界
rear=(rear+1)%maxSize;
//比如说有模拟环形队列数组长度5分别为2，6，7，8
//即下标4是rear指向最后一个元素的后一个位置
//如果取出队列数据2,front=1 那么目前的队列数据即是 6,7,8
//这时rear要回到下标0,不能是++等于下标4 ,所以取% 回到0
}
//从队列取出数据
public int getQueue(){
if(isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列为空,不能取出数据");
//无需在return 因为throw有带return
}
//front的含义：指向队列的第一个元素
//1.先把front对应的值保存到临时变量
//2.将front后移,指向新的队列第一个元素,考虑取%
//3.将临时的变量弹出返回
int value=arr[front];
front=(front+1)%maxSize;
return value;
//比如说有模拟环形队列数组长度5分别为2，6，7，8
//如果取出队列数据2,那么此时front需要往后移指向新的首数据
//但是front不能++,因为如果++的话，到了最后一个元素是下标3
//弹出后++front=4,再添加数据时，rear=下标0,而front是4会爆出异常所以需要取%
}
//打印队列里的数据
public void showQueue() {
//判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空,无法打印数据");
return;
}
//不能像线性数组直接循环打印出数据,因为是数组模拟环形队列
//思路：从front开始遍历，遍历到front+队列有效个数
//循环队列从front开始到front+size(),为什么要+front？不能直接小于size()?
//因为比如说循环队：3，5，6 初始化数据front=0 rear=3
//那么取出数据3 此时front=1 rear=3 这时打印数据如果是直接小于size()
//则指打印出1,2 无法打印出真正个数
for (int i =front; i 那么现在让我们添加数据测试看看把
//创建一个队列
CircleArray arrayQueue = new CircleArray(4);
System.out.println("\n添加数据：10");
arrayQueue.addQueue(10);//添加一个数据10
System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();
运行结果如下：
添加数据：10
打印队列数据----------------
arr[0]=10我们再加多点数据看看，并看看数组模拟环形队列有什么不一样？
System.out.println("\n添加数据：10");
arrayQueue.addQueue(10);//添加一个数据10
System.out.println("\n添加数据：20");
arrayQueue.addQueue(20);//添加一个数据20
System.out.println("\n添加数据：30");
arrayQueue.addQueue(30);//添加一个数据30
//打印头部数据
System.out.println("\n\n显示队列队首信息:"+arrayQueue.showheadQueue());
System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();
运行结果如下：
显示队列队首信息:10
打印队列数据----------------
arr[0]=10 arr[1]=20 arr[2]=30
此时我们弹出队首再看看？
System.out.println("\n取出队列首----------------");
arrayQueue.getQueue();
System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();
运行结果如下：
取出队列首----------------
打印队列数据----------------
arr[1]=20 arr[2]=30 此时我们能添加数据嘛？答案是可以的
它会加到哪呢?答案是：会加到下标3的位置，此时下标0就作为约定位置，因为这个约定的位置是会动态变化的！！！
System.out.println("\n添加数据：50");
arrayQueue.addQueue(50);//添加一个数据50
System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();
运行结果如下：
添加数据：50
打印队列数据----------------
arr[1]=20 arr[2]=30 arr[3]=50 那么此时的数组即可反复利用，测试完成