【Java数据结构与算法】队列与环形队列
文章目录
- 队列
- 队列介绍
- 数组模拟队列思路
- 代码实现
- 问题分析并优化代码
- 代码实现环形队列
队列
队列介绍
- 对应是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现
- 遵循先入先出的原则，即：先存入队列的数据，要先取出，后存入的要后取出
- 示意图：（使用数组模拟队列示意图）
数组模拟队列思路
- 队列本身是个有序列表，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图，其中5是该队列的最大容量（只代表我这个图）
- 因为队列的输出，输入都是分别从前后端来处理的，因此需要两个变量（头部）及（尾部）分别记录队列前后端的下标，头部会随着数据的输出而改变，而尾部会随着数据的输入而改变。
代码实现
import java.util.Scanner;
public class ArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args){
//测试
//创建一个队列
ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
char key = ' ';//接收用户输入
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean loop = true;
//输出一个菜单
while (loop){
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):从队列取出数据");
System.out.println("h(head):查看队列头数据");
key = scanner.next().charAt(0);
switch (key){
case 's':
queue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个数据");
int value = scanner.nextInt();
queue.addQueue(value);
break;
case 'g':
//异常处理机制
try{
int res = queue.getQueue();
System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
}catch (Exception e){
//如果出现异常，则执行getQeueu李
// TODO:handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h'://查看队列头的数据
try{
int res = queue.headQueue();
System.out.printf("队列头数据是%d\n",res);
}catch (Exception e){
//如果出现异常，则执行headQeueu异常
// TODO:handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e'://退出
//关闭接收
scanner.close();
//关闭循环
loop = false;
break;
}
}
System.out.println("程序已退出！");
}
}
//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;//队列的头部
private int rear;//队列的尾部
private int[] arr;//该数组用于存放数据，模拟队列
//创建队列的构造器
public ArrayQueue(int arrMaxSize){
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[maxSize];
front = -1;//指向队列头部，分析出front是只想队列头的前一个位置
rear = -1;//指向队列尾，指向队列尾的具体数据（既就是队列的最后一个数据）
}
//判断队列是否满
public boolean isFull(){
return rear == maxSize - 1;
}
//判断队列是否为空
public boolean isEmpty(){
return rear == front;
}
//添加数据到数列
public void addQueue(int n){
//首先判断队列是否满
if (isFull()){
System.out.println("队列已满，不能加入数据！");
return;
}
rear ++;//让【尾部】rear后移
arr[rear] = n;
}
//获取队列的数据，出队列
public int getQueue(){
//判断队列是否为空
if (isEmpty()){
//通过抛出异常处理
throw new RuntimeException("队列为空，不能取数据！");
}
front ++;//让【头部】front后移
return arr[front];
}
//显示队列的所有数据
public void showQueue(){
//遍历
if (isEmpty()){
System.out.println("队列为空，无数据！");
return;
}
for (int i = 0;i < arr.length;i ++){
System.out.printf("arr[%d] = %d\n",i,arr[i]);
}
}
//显示队列的头数据，注意不是取数据
public int headQueue(){
//判断是否为空
if (isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列为空，无数据！");
}
return arr[front + 1];
}
}
但是，以上写法，这个数组只能用一次，把里面数据都拿出来完了，也不能进行添加数据了，这就需要得把数组模拟成还行数列，出现了不难复用的情况。
问题分析并优化代码
- 目前数组使用一次就不能用了，没有达到复用的效果
- 将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列，取模：%
思路如下：
- 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初始值为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最后一个位置，因为希望空出一个空间作为阅读，rear的初始值为0
- 当队列满时，条件是（rear + 1）%maxSize = front【满】
- 当队列空的条件，rear == front【空】
- 当我这样分析，队列中有效的数据的个数（rear - front + maxSize）%maxSize //若rear = 1 front = 0，则为1
- 我们就可以在原来的队列上修改得到，一个环形队列
代码实现环形队列
import java.util.Scanner;
public class CircleArrayQueue {
public static void main(String[] args){
//测试
System.out.println("测试数组模拟环形队列的案例！");
//创建一个环形队列，设置为4，但有效数据最多只有3
CircleArray queue = new CircleArray(4);
char key = ' ';//接收用户输入
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean loop = true;
//输出一个菜单
while (loop){
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):从队列取出数据");
System.out.println("h(head):查看队列头数据");
key = scanner.next().charAt(0);
switch (key){
case 's':
queue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个数据");
int value = scanner.nextInt();
queue.addQueue(value);
break;
case 'g':
//异常处理机制
try{
int res = queue.getQueue();
System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
}catch (Exception e){
//如果出现异常，则执行getQeueu李
// TODO:handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h'://查看队列头的数据
try{
int res = queue.headQueue();
System.out.printf("队列头数据是%d\n",res);
}catch (Exception e){
//如果出现异常，则执行headQeueu异常
// TODO:handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e'://退出
//关闭接收
scanner.close();
//关闭循环
loop = false;
break;
}
}
System.out.println("程序已退出！");
}
}
class CircleArray{
private int maxSize;//表示数组的最大容量
//队列的头部: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初始值为0
private int front;
//队列的尾部:rear变量的含义做一个调整，rear指向队列的最后一个元素的最后一个位置，因为希望空出一个空间作为阅读，rear的初始值为0
private int rear;
private int[] arr;//该数组用于存放数据，模拟队列
public CircleArray(int arrMaxSize){
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[maxSize];
}
//判断队列是否满
public boolean isFull(){
return (rear + 1)%maxSize == front;
}
//判断队列是否为空
public boolean isEmpty(){
return rear == front;
}
//添加数据到数列
public void addQueue(int n){
//首先判断队列是否满
if (isFull()){
System.out.println("队列已满，不能加入数据！");
return;
}
//直接加入数据就可以
arr[rear] = n;
//将rear后移，这里必须考虑取模
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
//获取队列的数据，出队列
public int getQueue(){
//判断队列是否为空
if (isEmpty()){
//通过抛出异常处理
throw new RuntimeException("队列为空，不能取数据！");
}
//这里需要分析出front是指向队列的第一个元素
//1.先把front对应的值保存到一个临时变量
//2.将front后移，考虑取模
//3.将临时保存的变量返回
int value = arr[front];
front = (front + 1) % maxSize;
return value;
}
//显示队列的所有数据
public void showQueue(){
//遍历
if (isEmpty()){
System.out.println("队列为空，无数据！");
return;
}
//思路：从front开始遍历，遍历多少个元素就可以
for (int i = front;i < front + size();i ++){
System.out.printf("arr[%d] = %d\n",i & maxSize,arr[i % maxSize]);
}
}
//求出当前数列的有效数据的个数
public int size(){
return (rear - front +maxSize) % maxSize;
}
//显示队列的头数据，注意不是取数据
public int headQueue(){
//判断是否为空
if (isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列为空，无数据！");
}
return arr[front];
}
}
编程我也是初学者，难免有理解错误的地方，希望大家看完之后，发现错误可以评论出来，谢谢大家