队列和环形队列的实现
队列
1、基本介绍
- 队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。
- 遵循 先入先出(FIFO) 的原则。即：先存入队列的数据，要先取出。后存入的要后取出。
2、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，front 会随着数据输出而改变，而 rear则是随着数据输入而改变，如图所示(在这里front指向队列头的前一个位置，rear指向队列尾):
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添加数据（addQueue）思路分析：
1、将尾指针往后移：rear+1
2、若尾指针 rear 小于队列的最大下标 maxSize-1，则将数据存入 rear所指的数组元素中，否则无法存入数据。rear == maxSize - 1[队列满]，当front == rear 【空】
public class ArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建一个队列
ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
char key = ' '; //接收用户选项
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean flag = true;
while (flag){
System.out.println("s(show)：显示队列");
System.out.println("e(exit)：退出程序");
System.out.println("a(add)：添加数据到队列");
System.out.println("g(get)：获取数据");
System.out.println("h(head)：得到队列头数据");
key = scanner.next().charAt(0);
switch (key){
case 's':
queue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个整数：");
int value = scanner.nextInt();
queue.addQueue(value);
break;
case 'g':
try {
int val = queue.getQueue();
System.out.println("取出的值是："+val);
}catch (Exception e){
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h':
try {
int headQueue = queue.headQueue();
System.out.println("该队列头部的数据是："+ headQueue);
}catch (Exception e){
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e':
scanner.close();
flag = false;
break;
default:
break;
}
}
}
}
//使用数组模拟队列 --编写一个ArrayQueue类
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;
front = -1; // 指向队列头部,front指向队列头的前一个位置
rear = -1; //指向队列尾部,rear指向队列尾部（即队列的最后一个数据）
arr = new int[maxSize];
}
//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 front == rear;
}
//添加数据到队列
public void addQueue(int n){
if(isFull()){
System.out.println("队列已满，不能再添加数据");
return;
}
rear++;
arr[rear] = n;
}
//从队列中获取数据，出队列
public int getQueue(){
if(isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列为空，无法取得数据");
}
front++;
return arr[front];
}
//显示所有的数据
public void showQueue(){
if(isEmpty()){
System.out.println("队列为空，没有数据");
return;
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.println("arr[" + i + "] = " + arr[i]);
}
}
//显示队列头的数据 注意不是取出数据
public int headQueue(){
if(isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
}
return arr[front+1];
}
}
存在问题：当front和rear都指向队列尾部时，虽然队列为空，但是也不能插入数据了
解决：将这个数组使用算法改造成环形队列
环形队列
思路：
- front 变量的含义做一个调整： front 就指向队列的第一个元素, 也就是说 arr[front] 就是队列的第一个元素
front 的初始值 = 0 - rear 变量的含义做一个调整：rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置. 因为希望预留空出一个空间做为约定（预留的空间始终在最后一个元素的后一个位置）.
rear 的初始值 = 0 - 当队列满时，条件是 (rear + 1) % maxSize == front 【满】
- 对队列为空的条件， rear == front 空
- 当我们这样分析， 队列中有效的数据的个数 (rear + maxSize - front) % maxSize
public class CircleArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建一个队列
CircleArray queue = new CircleArray(4);
char key = ' '; //接收用户选项
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean flag = true;
while (flag){
System.out.println("s(show)：显示队列");
System.out.println("e(exit)：退出程序");
System.out.println("a(add)：添加数据到队列");
System.out.println("g(get)：获取数据");
System.out.println("h(head)：得到队列头数据");
key = scanner.next().charAt(0);
switch (key){
case 's':
queue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个整数：");
int value = scanner.nextInt();
queue.addQueue(value);
break;
case 'g':
try {
int val = queue.getQueue();
System.out.println("取出的值是："+val);
}catch (Exception e){
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h':
try {
int headQueue = queue.headQueue();
System.out.println("该队列头部的数据是："+ headQueue);
}catch (Exception e){
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e':
scanner.close();
flag = false;
break;
default:
break;
}
}
}
}
class CircleArray{
private int maxSize; //表示数组的最大容量
//front 指向队列的第一个元素，也就是说arr[front] 就是队列的第一个元素
//初始值为0
private int front;
//rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置，因为希望空出一个空间作为约定,rear指向那个预留的空间
//初始值为0
private int rear;
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];
}
//判断队列是否已满
public boolean isFull(){
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
//判断队列是否为空
public boolean isEmpty(){
return front == rear;
}
//添加数据到队列
public void addQueue(int n){
if(isFull()){
System.out.println("队列已满，不能再添加数据");
return;
}
arr[rear] = n;
//将rear后移，这里必须考虑取模
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
//从队列中获取数据，出队列
public int getQueue(){
if(isEmpty()){
//通常抛出异常
throw new RuntimeException("队列为空，无法取得数据");
}
int value = arr[front];
//front 后移 考虑取模
front = (front + 1) % maxSize;
return value;
}
//显示所有的数据
public void showQueue(){
if(isEmpty()){
System.out.println("队列为空，没有数据");
return;
}
for (int i = front; i < front + size(); i++) {
System.out.println("arr[" + i % maxSize + "] = " + arr[i % maxSize]);
}
}
//获取当前队列有效元素个数
public int size(){
return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}
//显示队列头的数据 注意不是取出数据
public int headQueue(){
if(isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
}
return arr[front];
}
}