JAVA数据结构与算法【队列、数组模拟（环形）队列】

队列

使用场景：排队

队列介绍

• 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

• 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:

数组模拟队列

当我们将数据存入队列时称为”addQueue”，addQueue 的处理需要有两个步骤：思路分析

1. 将尾指针往后移：rear+1 , 当front == rear 【空】
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]

代码实现

package com.henu.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @author George
 * @description
 **/
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;
        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");
            System.out.println("g(get):从队列取出数据");
            System.out.println("h(head):查看队列头的数据");
            key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
            switch (key){
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输入一个数");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try{
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d\n",res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = 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;
        arr = new int[maxSize];
        front = -1;//指向队列头部，分析出front是指向队列头的前一个位置
        rear = -1;//指向队列尾，指向队列尾的数据（即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;
    }

    //添加数据到队列
    public void addQueue(int n){
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满，不能加入数据~");
            return;
        }
        rear++;//让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()) {
            //抛出异常
            throw new RuntimeException("队列空，不能取出数据");
        }
        front++;//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("队列空的，没有数据~");
            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，注意不是取出数据
    public int headQueue(){
        //判断
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~");
        }
        return arr[front+1];
    }

}

具体测试结果就不展示了，不过这样写有它的缺陷。【可以自己测试测试】

问题发现并分析：

1. 目前数组使用一次就不能用，没有达到复用的效果。
2. 将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列 取模：%

package com.henu.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @author George
 * @description    环形队列
 **/
public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        System.out.println("测试数据模拟环形队列");
        //创建一个环形队列
        CircleArray queue = new CircleArray(4);//设置为4,其队列的最大有效长度是3
        char key;//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        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");
            System.out.println("g(get):从队列取出数据");
            System.out.println("h(head):查看队列头的数据");
            key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
            switch (key){
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输入一个数");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try{
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d\n",res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }
}

class CircleArray{
    private int maxSize;//表示数组的最大容量
    //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
    private int front;
    //rear 变量的含义做出调整：rear指向队列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 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];
    }

    //判断队列是否为满
    public boolean isFull(){
        return (rear +1)%maxSize == front;
    }

    //判断队列是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return rear == front;
    }

    //判断队列是否为空
    public void addQueue(int n){
        //判断队列是否满
        if (isFull()){
            System.out.println("队列满，不能加入数据~");
            return;
        }
        //直接将数据加入
        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(){
        //判断队列是否控
        if (isEmpty()){
            //通过抛出异常
            throw new RuntimeException("队列空，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对应的值保留到一个临时变量
        //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;
    }

    //求出当前队列有效数据的个数
    public int size(){
        //rear = 2
        //front = 1
        //maxSize = 3
        return (rear+maxSize-front)%maxSize;
    }

    //显示队列中的所有元素
    public void showQueue(){
        //遍历
        if (isEmpty()){
            System.out.println("队列空的，没有数据~");
            return;
        }
        //思路：从front考试遍历，遍历多少个元素
        //动脑筋
        for (int i = front; i < front+size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i%maxSize,arr[i%maxSize]);
        }
    }

    public int headQueue(){
        //判断
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~");
        }
        return arr[front];
    }

}