Java数据结构(二)：队列Queue
目录
队列定义
队列案例
数组模拟队列
普通队列
环形队列
队列定义
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。
队列案例
例如在学校食堂排队买早餐，排在前面的（队首）就先出对，排在后面的（队尾）就后出队列，这是一个最简单的实例。
数组模拟队列
普通队列
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:
在添加队列的时候，我们需要做到以下几步：
- 将尾指针往后移：rear+1 , 当front == rear 【队列为空】
- 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]
在出队列的时候，需要做到以下几步：
- 将尾指针往后移：rear-1 , 当front == rear 【队列为空】
- 将结果返回
下面，我们以学生排队为例子，代码实现一下：
package com.chtw.queue;
import java.util.Scanner;
public class ArrayQueueTest {
public static void main(String[] args) {
//测试一把
//1. 创建几个学生对象，等待使用
Student stu1 = new Student(1, "Ailce");
Student stu2 = new Student(2, "Bob");
Student stu3 = new Student(3, "Covler");
Student stu4 = new Student(4, "Piter");
//2. 创建队列
StuArrayQueue queue = new StuArrayQueue(3);
//入队
/*queue.addQueue(stu1);
queue.addQueue(stu2);
queue.addQueue(stu3);
Student stu5 = queue.remove();
System.out.println(stu5);
queue.show();*/
char key = ' ';
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean loop = true;
//写一个菜单
while(true) {
System.out.println("s(show): 表示显示队列");
System.out.println("a(add): 表示添加队列数据");
System.out.println("r(remove): 表示取出队列数据");
System.out.println("p(peek): 队首数据");
System.out.println("e(exit): 表示退出程序");
key = scanner.next().charAt(0);
switch (key) {
case 's':
queue.show();
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个数");
System.out.println("stu1: Alice");
System.out.println("stu2: Bob");
System.out.println("stu3: Covler");
System.out.println("stu4: Piter");
String value = scanner.next();
if(value.equals("stu1")) {
queue.addQueue(stu1);
}
if(value.equals("stu2")) {
queue.addQueue(stu2);
}
if(value.equals("stu3")) {
queue.addQueue(stu3);
}
if(value.equals("stu4")) {
queue.addQueue(stu4);
}
break;
case 'r':
try {
Student res = queue.remove();
System.out.println("取出数据是"+res);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e':
scanner.close(); // 关闭下scanner,否则会有警告信息
loop = false;
break;
default:
break;
}
}
}
}
/**
* 学生类
* @author CHTW
*
*/
class Student{
public int no;
public String name;
public Student(int no, String name) {
super();
this.no = no;
this.name = name;
}
@Override
public String toString() {
return "Student [no=" + no + ", name=" + name + "]";
}
}
/**
* 队列
* @author CHTW
*
*/
class StuArrayQueue{
private int maxSize;
private Student[] stuQueue; // 该数组存放数据，模拟队列
private int front;
private int rear;
/**
* 构造方法，初始化
* @param maxSize
*/
public StuArrayQueue(int maxSize) {
super();
this.maxSize = maxSize;
this.stuQueue = new Student[maxSize];
front = -1; // 指向队列头部, 分析出front 是指向队列数据的前一个位置
rear = -1; // 指向队列的尾部，分析出rear 是指向队列的最后数据
}
/**
* 判断队列是否满
* @return
*/
public boolean isFull() {
return rear == maxSize - 1;
}
/**
* 判断队列是否空
* @return
*/
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
/**
* 入队
* @param stu
*/
public void addQueue(Student stu) {
//判断是否队满
if(isFull()) {
System.out.println("队满，请稍等~");
return;
}else {
//如果不是队满，则加入进行排队
stuQueue[++rear] = stu;
}
}
/**
* 出队
* @return
*/
public Student remove() {
if(isEmpty()) {
throw new RuntimeException("对空~");
}else {
front += 1;
Student temp = stuQueue[front];
stuQueue[front] = null;
return temp;
}
}
/**
* 获取队首
* @return
*/
public Student peek() {
if(isEmpty()) {
throw new RuntimeException("对空~");
}else {
return stuQueue[front + 1];
}
}
/**
* 遍历
*/
public void show() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空的，没有数据..");
return;
}
for (int i = 0; i < stuQueue.length; i++) {
if(stuQueue[i]!=null) {
System.out.println(stuQueue[i]);
}
}
}
}运行结果如下：
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
s
队列空的，没有数据..
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入一个数
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu1
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
s
Student [no=1, name=Ailce]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入一个数
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu4
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
s
Student [no=1, name=Ailce]
Student [no=4, name=Piter]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入一个数
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu2
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
s
Student [no=1, name=Ailce]
Student [no=4, name=Piter]
Student [no=2, name=Bob]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入一个数
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu3
队满，请稍等~
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
r
取出数据是Student [no=1, name=Ailce]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入一个数
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu2
队满，请稍等~
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
s
Student [no=4, name=Piter]
Student [no=2, name=Bob]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
从测试结果中，我们发现了一个问题，为什么我们在队满后出队依然还是不能再次入队呢？给我们的提示是队满，请稍等~。
出现这个问题的原因很简单，就是我们的remove函数中，没有对rear进行处理，第一次队满的时候，rear就一直处于rear==maxSize的状态。但是我们就不能直接将rear-1，如果直接减一就删除了队尾的信息。因此为了满足可以循环使用队列，引出了环形队列。
环形队列
分析说明：
- 尾索引的下一个为头索引时表示队列满，即将队列容量空出一个作为约定,这个在做判断队列满的时候需要注意 (rear + 1) % maxSize == front 满]
- rear == front [空]
具体代码如下
package com.chtw.queue;
import java.util.Scanner;
public class CircleArrayQueueTest {
public static void main(String[] args) {
// 测试一把
// 1. 创建几个学生对象，等待使用
Student stu1 = new Student(1, "Ailce");
Student stu2 = new Student(2, "Bob");
Student stu3 = new Student(3, "Covler");
Student stu4 = new Student(4, "Piter");
// 2. 创建队列,需要预留一个空间
CircleStuArrayQueue queue = new CircleStuArrayQueue(4);
char key = ' ';
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean loop = true;
// 写一个菜单
while (true) {
System.out.println("s(show): 表示显示队列");
System.out.println("a(add): 表示添加队列数据");
System.out.println("r(remove): 表示取出队列数据");
System.out.println("p(peek): 队首数据");
System.out.println("e(exit): 表示退出程序");
key = scanner.next().charAt(0);
switch (key) {
case 's':
queue.show();
break;
case 'a':
System.out.println("请输入选择");
System.out.println("stu1: Alice");
System.out.println("stu2: Bob");
System.out.println("stu3: Covler");
System.out.println("stu4: Piter");
String value = scanner.next();
if (value.equals("stu1")) {
queue.addQueue(stu1);
}
if (value.equals("stu2")) {
queue.addQueue(stu2);
}
if (value.equals("stu3")) {
queue.addQueue(stu3);
}
if (value.equals("stu4")) {
queue.addQueue(stu4);
}
break;
case 'r':
try {
Student res = queue.remove();
System.out.println("取出数据是" + res);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e':
scanner.close(); // 关闭下scanner,否则会有警告信息
loop = false;
break;
default:
break;
}
}
}
}
class CircleStuArrayQueue {
private int maxSize;
private Student[] stuQueue; // 该数组存放数据，模拟队列
private int front;
private int rear;
/**
* 构造方法，初始化
*
* @param maxSize
*/
public CircleStuArrayQueue(int maxSize) {
super();
this.maxSize = maxSize;
this.stuQueue = new Student[maxSize];
}
/**
* 判断队列是否满
*
* @return
*/
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
/**
* 判断队列是否空
*
* @return
*/
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
/**
* 添加
*
* @param stu
*/
public void addQueue(Student stu) {
// 判断是否满
if (isFull()) {
System.out.println("队列满，无法加入..");
return;
}
// 将数据加入
stuQueue[rear] = stu;
// 然后将rear 后移, 这里必须考虑取模
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
/**
* 出队
*
* @return
*/
public Student remove() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("对空~");
} else {
Student temp = stuQueue[front];
stuQueue[front] = null;
front = (front + 1) % maxSize;
return temp;
}
}
/**
* 获取队首
*
* @return
*/
public Student peek() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("对空~");
} else {
return stuQueue[front%maxSize];
}
}
/**
* 获取队列长度
*
* @return
*/
public int size() {
// rear = 1
// front = 0
// maxSize = 3
return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}
/**
* 遍历
*/
public void show() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空的，没有数据..");
return;
}
for (int j = front; j < front + size(); j++) {
System.out.println(stuQueue[j % maxSize]);
}
}
}测试结果：
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入选择
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu1
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入选择
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu2
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入选择
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu3
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
s
Student [no=1, name=Ailce]
Student [no=2, name=Bob]
Student [no=3, name=Covler]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入选择
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu4
队列满，无法加入..
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
r
取出数据是Student [no=1, name=Ailce]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
s
Student [no=2, name=Bob]
Student [no=3, name=Covler]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
a
请输入选择
stu1: Alice
stu2: Bob
stu3: Covler
stu4: Piter
stu4
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
s
Student [no=2, name=Bob]
Student [no=3, name=Covler]
Student [no=4, name=Piter]
s(show): 表示显示队列
a(add): 表示添加队列数据
r(remove): 表示取出队列数据
p(peek): 队首数据
e(exit): 表示退出程序
从测试结果中可以看出，现在就可以循环使用队列的空间了。