数据结构 - 队列、环形队列

队列

队列是一种特殊的线性表,特殊之处在于它只允许在表的前端(front)进行删除操作,而在表的后端(rear)进行插入操作,队列是一种操作受限制的线性表,队列又称为先进先出(FIFO—first in first out)线性表。

进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头

常说的队列是指单向队列:

数据结构 - 队列、环形队列_第1张图片


Java实现单向队列

通过操作尾指针rear、头指针front、数组可以模拟单向队列

  • ArrayQueue构造器:初始化数组,头、尾指针都为0
  • 头指针指向队列第一个元素
  • 尾指针指向队列最后一个元素后一位
  • isFull:rear == maxSize判断队列是否满
  • isEmpty:rear == front判断队列是否为空
  • addQueue:添加数据到队尾,然后后移尾指针
  • getQueue:获得队列头的数据,头指针后移
  • showQueue:遍历打印所有数据
  • showHeadQueue:打印队首数据
package com.company.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @author zfk
 * 使用数组模拟队列
 */

public class ArrayQueueDemo {

    /**
     * @param args
     * 测试
     */
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        char key = ' ';
        boolean loop = true;
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        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(showHead):显示队列头数据");
        System.out.println("============================");

        while (loop){

            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key){
                //显示队列
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                 // 添加数据到队列
                case 'a':
                    System.out.println("需要添加的数:");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                 //从队列取出数据
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据是:" + res);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                //显示队列头数据
                case 'h':
                    try {
                        int head = arrayQueue.showHeadQueue();
                        System.out.println("取出的队列头数据是:" + head);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                 //退出程序
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }

        }
    }
}


class ArrayQueue{
    //表示数组最大容量
    private int maxSize;
    //队列头
    private int front;
    //队列尾
    private int rear;
    //数组存放数据,模拟队列
    private int[] arr;

    //创建队列构造器
    public ArrayQueue(int arrMaxSize){
        this.maxSize = arrMaxSize;
        this.arr = new int[maxSize];
        //指向队列头部,第一个数据
        front = 0;
        //指向队列尾,队列最后一个数据后一位
        rear = 0;
    }

    //判断队列是否满
    public boolean isFull(){
        return rear == maxSize;
    }

    //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){
        //判断是否满
        if (isFull()){
            System.out.println("队列已满,不能加入数据");
            return;
        }
        arr[rear] = n;
        //队尾后移
        rear++;
    }

    //获取队列数据,获得队列头数据
    public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
        }

        int value = arr[front];
        //front后移
        front++;
        return value;
    }

    //显示队列的所有数据
    public void showQueue(){
        //判断是否为空
        if (isEmpty()){
            System.out.println("队列空,没有数据");
            return;
        }
        //遍历
        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
    public int showHeadQueue(){
        //判断是否为空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空,没有数据");
        }

        return arr[front];
    }
}

数据结构 - 队列、环形队列_第2张图片


循环队列

前面单向队列缺点在与“假溢出”

当两个指针都指向队尾后,无法插入数据
数据结构 - 队列、环形队列_第3张图片

解决办法,设置循环队列

循环队列,逻辑上将数组元素q[0]与q[MAX-1]连接(实际并没有这样的硬件)

队首指针指向队列第一个元素
队尾指针指向队列最后一个元素后一位

数据结构 - 队列、环形队列_第4张图片
在循环队列中,当队列为空时,有front=rear,而当所有队列空间全占满时,也有front=rear,所以为了区别这两种情况

设置循环队列时,特意留一个空存储单元

即当队列满时,是这种情况:

数据结构 - 队列、环形队列_第5张图片


Java实现循环队列

循环队列是对单向队列进行了一定的改变
判断为空、满、改变rear、front指针的位置使用取模的方式:rear = (rear + 1) % maxSize,当指针指向空存储单元,在进一位就回到0
例如:maxSize=4,当rear=3,判断空时,4 % 4 = 0,即到队列首位

package com.company.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @author zfk
 * 循环队列
 */

public class CircleArrayQueueDemo {
    /**
     * @param args
     * 测试
     */
    public static void main(String[] args) {
        CircleArrayQueue arrayQueue = new CircleArrayQueue(4);
        char key = ' ';
        boolean loop = true;
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        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(showHead):显示队列头数据");
        System.out.println("============================");

        while (loop){

            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key){
                //显示队列
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                // 添加数据到队列
                case 'a':
                    System.out.println("需要添加的数:");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                //从队列取出数据
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据是:" + res);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                //显示队列头数据
                case 'h':
                    try {
                        int head = arrayQueue.showHeadQueue();
                        System.out.println("取出的队列头数据是:" + head);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                //退出程序
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }

        }
    }
}


class CircleArrayQueue{
    //表示数组最大容量
    private int maxSize;
    //队列头,指向队列第一个元素
    private int front;
    //队列尾,指向最后一个元素的后一个位置
    private int rear;
    //数组存放数据,模拟队列
    private int[] arr;

    //创建队列构造器
    public CircleArrayQueue(int arrMaxSize){
        this.maxSize = arrMaxSize;
        this.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;
    }

    //添加数据到队列
    public void addQueue(int n){
        //判断是否满
        if (isFull()){
            System.out.println("队列已满,不能加入数据");
            return;
        }
        arr[rear] = n;
        //队尾后移
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    //获取队列数据,获得队列头数据
    public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
        }

        int value = arr[front];
        //front后移,考虑取模
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    //显示队列的所有数据
    public void showQueue(){
        //判断是否为空
        if (isEmpty()){
            System.out.println("队列空,没有数据");
            return;
        }
        //从front开始遍历
        for (int i = front;i < front + size();i++){
            System.out.printf("arr[%d] = %d \n", i % maxSize,arr[i % maxSize]);
        }

    }

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

    //显示队列的头数据
    public int showHeadQueue(){
        //判断是否为空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空,没有数据");
        }

        return arr[front];
    }
}

数据结构 - 队列、环形队列_第6张图片

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