数据结构与算法（java版）之队列一（数组模拟队列）

数据结构与算法（java版）之队列一（数组模拟队列）

1 队列
队列是一个有序的列表，可以使用数组或者链表来实现，遵循先入先出的原则。即先存入数据先去取出来，后存入数据后取出来
2 数组模拟队列
2.1思路分析
1）队列存在最大容量使用maxSize来表示，存在输入和输出，分别使用front和rear来记录前后端下标。
2）当有数据输出是front会发生移动，当有数据输入的时候rear也会发生移动

demo1：缺陷版数组模拟队列
缺陷：数组无法复用，当队列满了之后，即便是取出数据也无法再次添加数据
实现：
1）添加数据时：rear+1
2）输出数据时：front+1
3）front=rear时为空
4）rear==maxSize-1（队列满了）
5）初始值front=rear=-1；
6）front指向队列首的前一个，rear指向队列中的最后一个数据。
代码

/**
 * 使用数组模拟队列：此时为非环形队列，即存在一个问题，数组只能使用一个，即不可复用。
 *
 * @author 龍
 */
public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        //接受用户输入
        char key = ' ';
        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): 查看队列头的数据");
            //接收一个字符
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                //退出
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输出一个数");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                //取出数据
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据为：" + res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                //查看队列头的数据
                case 'h':
                    try {
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.println("队列头的数据为：" + res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                default:
                    System.out.println("输入代码无效！！！");
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }
}

/**
 * 编写一个ArrayQueue类
 */
class ArrayQueue {
    /**
     * 队列最大容量
     */
    private int maxSize;
    /**
     * 队列头
     */
    private int front;
    /**
     * 队列尾
     */
    private int rear;
    /**
     * 数组用来存放数据，模拟队列
     */
    private int[] arr;

    /**
     * 创建队列构造器
     */
    ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        //指向队列头部-->指向队列头的前一个位置
        front = -1;
        //执行队列尾部，指向队列尾的数据（即队列尾的最后一个数据）
        rear = -1;
    }

    /**
     * 判断队列是否满
     */
    private boolean isFull() {
        return rear == maxSize - 1;
    }

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

    /**
     * 添加数据队列
     */
    void addQueue(int n) {
        //判断队列是否满
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列已满，不能加入数据！！！");
            return;
        }
        //让rear后移
        rear++;
        //赋值
        arr[rear] = n;
    }

    /**
     * 获取队列的数据，出队列
     */
    int getQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列是空的，无法取出数据！！！");
        }
        front++;    //使得后移
        return arr[front];
    }

    /**
     * 展示当前队列的所有数据
     */
    void showQueue() {
        //遍历
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列是空的，没有数据！！！");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println("array[" + i + "]" + " = " + arr[i]);
        }
    }

    /**
     * 显示队列的头数据，不是取数据
     */
    int headQueue() {
        //判断
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列是空的，无法取出数据！！！");
        }
        return arr[front + 1];
    }

}

改进的方法：使用环形数组来实现数组的复用

分析：
1）队列满的条件：（rear+1）%maxSizefront。
2）队列为空的条件：rearront。
3）有效数据的个数：（rear+maxSize-front）%maxSize
注意：
front和rear的含义发生了变化----->
front：指向队列首的第一个数据
rear：指向队列队尾的最后一个数据的后一个位置。
代码实现

/**
 * @author 龍
 * 环形数组实现队列
 */
public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("测试环形数组模拟队列S");
        CircleQueue circleQueue = new CircleQueue(4);
        char key = ' ';
        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): 查看队列头的数据");
            //接收一个字符
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
                case 's':
                    circleQueue.showQueue();
                    break;
                //退出
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输出一个数");
                    int value = scanner.nextInt();
                    circleQueue.addQueue(value);
                    break;
                //取出数据
                case 'g':
                    try {
                        int res = circleQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据为：" + res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                //查看队列头的数据
                case 'h':
                    try {
                        int res = circleQueue.headQueue();
                        System.out.println("队列头的数据为：" + res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                default:
                    System.out.println("输入指令错误！！！");
            }
        }
        System.out.println("程序退出");

    }
}

/**
 * @author long
 */

class CircleQueue {
    /**
     * 队列最大容量
     */
    private int maxSize;
    /**
     * 变量的含义进行了一个小调整，front指向队列的第一个元素，即array【front】，初始值为0.
     */
    private int front;
    /**
     * 指向队列的最后一个元素的后一个位，因此希望空出一个位置。初始值为0。
     */
    private int rear;
    /**
     * 数组用来存放数据，模拟队列
     */
    private int[] arr;

    /**
     * 创建队列构造器
     */
    public CircleQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        //指向队列头部-->指向队列头的前一个位置（默认为0，可以不写)
        front = 0;
        //执行队列尾部，指向队列尾的数据（即队列尾的最后一个数据）
        rear = 0;
    }

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

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

    /**
     * 添加数据队列
     */
    public void addQueue(int n) {
        //判断队列是否满
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列已满，不能加入数据！！！");
            return;
        }
        //赋值
        arr[rear] = n;
        //让rear后移,必须考虑取模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    /**
     * 获取队列的数据，出队列
     */
    public int getQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列是空的，无法取出数据！！！");
        }
        //front指向队列的第一个元素
        int value = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    /**
     * 展示当前队列的所有数据
     */
    public void showQueue() {
        //遍历
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列是空的，没有数据！！！");
            return;
        }
        //需要考虑数据的顺序，从front开始遍历
        for (int i = front; i < front + getSize(); i++) {
            System.out.println("array[" + i % maxSize + "]" + " = " + arr[i % maxSize]);
        }
    }

    /**
     * 显示队列的头数据，不是取数据
     */
    public int headQueue() {
        //判断
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列是空的，无法取出数据！！！");
        }
        return arr[front];
    }

    /**
     * 求出当前队列的有效数据的个数
     */
    public int getSize() {
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }
}

未完待续…