数据结构之队列
数据结构之队列queue
1、应用场景
银行排队
2、基本介绍
- 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。后存入队列的数据要后取出
3、实现方式
3.1、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，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
4、思路分析
4.1、数组模拟队列思路分析
- 当我们将数据存入对列时称为“addQueue”，addQueue的处理需要有两个步骤
- 将尾指针往后移：rear+1，当front==rear时，表示队列为空
- 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。当rear==maxSize-1时，表示队列已满
5、数组模拟队列代码实现
5.1、编写一个ArrayQueue类，使用数组模拟队列
//使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class ArrayQueue {
private int maxSize; //表示数组最大容量
private int front; //队列头
private int rear; //队列尾
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[arrMaxSize];
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; //指向队列尾部，指向队列尾的数据（即队列的最后一个数据）
}
}
5.2、编写判断队列是否满与是否为空的方法
//判断队列是否满
public boolean isFull() {
return rear == maxSize-1;
}
//判断对列是否为空
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
5.3、编写添加数据与取出数据的方法
//添加数据到队列-入队列
public void addQueue(int n) {
//先判断队列是否满
if (isFull()){
System.out.println("队列已满，不能添加数据！");
//结束程序
return;
}
//程序运行到此处说明队列不满
//尾指针后移一位，添加数据
rear++;
arr[rear] = n;
}
//从队列中取出数据-出队列
public int getQueue() {
//先判断队列是否为空,若为空则抛出异常
if (isEmpty()) {
//为空，抛出异常
throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据！");
}
//程序运行到此处说明队列不为空
//头指针后移一位，取出数据
front++;
return arr[front];
}
5.4、编写显示队列所有数据的方法
//显示队列所有数据
public void showQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！");
}
//运行到此处说明队列不为空
//遍历数组，显示所有数据
for (int i=0; i<arr.length; i++) {
System.out.printf("arr[%d] = %d", i, arr[i]);
}
}
5.5、编写显示队列头数据的方法
//显示队列头的数据，不是取出数据
public int headQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
//队列为空，抛异常
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据！");
}
//运行到此处说明队列不为空，返回队列头的数据
return arr[front+1];
}
5.6、完整代码
package com.njy.queue;
import java.util.Scanner;
public class ArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
//测试一把
//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("请输入一个数：");
int value = scanner.nextInt();
queue.addQueue(value);
break;
case 'g': //取出数据
try {
int res = queue.getQueue();
System.out.printf("取出的数据是：%d", res);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h': //显示队列头数据
try {
int head = queue.headQueue();
System.out.printf("队列头数据为：%d", head);
}catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
case 'e': //退出
scanner.close();
loop = false;
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出！");
}
}
//使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class ArrayQueue {
private int maxSize; //表示数组最大容量
private int front; //队列头
private int rear; //队列尾
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[arrMaxSize];
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; //指向队列尾部，指向队列尾的数据（即队列的最后一个数据）
}
//判断队列是否满
public boolean isFull() {
return rear == maxSize-1;
}
//判断对列是否为空
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
//添加数据到队列-入队列
public void addQueue(int n) {
//先判断队列是否满
if (isFull()){
System.out.println("队列已满，不能添加数据！");
//结束程序
return;
}
//程序运行到此处说明队列不满
//尾指针后移一位，添加数据
rear++;
arr[rear] = n;
}
//从队列中取出数据-出队列
public int getQueue() {
//先判断队列是否为空,若为空则抛出异常
if (isEmpty()) {
//为空，抛出异常
throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据！");
}
//程序运行到此处说明队列不为空
//头指针后移一位，取出数据
front++;
return arr[front];
}
//显示队列所有数据
public void showQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！");
return;
}
//运行到此处说明队列不为空
//遍历数组，显示所有数据
for (int i=0; i<arr.length; i++) {
System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i, arr[i]);
}
}
//显示队列头的数据，不是取出数据
public int headQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
//队列为空，抛异常
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据！");
}
//运行到此处说明队列不为空，返回队列头的数据
return arr[front+1];
}
}
6、问题分析并优化
- 目前数组使用一次就不能用，没有达到复用的效果
- 将这个数组使用算法，改进成一个环形队列 取模：%
7、数组模拟环形队列思路分析
- 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的初始值是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后一个位置，因为想空出一个空间做为约定，rear的初始值为0
- 当队列满时，条件是（rear+1）%maxSize=front【满】
- 当队列为空时，条件是rear==front【空】
- 当我们这样分析，队列中有效的数据个数（rear+maxSize-front）%maxSize
8、数组模拟环形队列代码实现
8.1、编写一个CircleArrayQueue类，使用数组模拟环形队列
class CircleArrayQueue {
private int maxSize; //表示数组最大容量
//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; //队列头
//rear变量的含义做一个调整：rear指向队列的最后一个元素的后一个位置，因为想空出一个空间做为约定
// rear的初始值 = 0
private int rear; //队列尾
private int[] arr; //该数组用于存放数据，模拟队列
public CircleArrayQueue(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[arrMaxSize];
}
}
8.2、编写判断队列是否满与是否为空的方法
//判断队列是否满
public boolean isFull() {
return (rear+1)%maxSize == front;
}
//判断对列是否为空
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
8.3、编写添加数据与取出数据的方法
//添加数据到队列-入队列
public void addQueue(int n) {
//先判断队列是否满
if (isFull()){
System.out.println("队列已满，不能添加数据！");
//结束程序
return;
}
//程序运行到此处说明队列不满
//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;
}
//从队列中取出数据-出队列
public int getQueue() {
//先判断队列是否为空,若为空则抛出异常
if (isEmpty()) {
//为空，抛出异常
throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据！");
}
//程序运行到此处说明队列不为空
//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;
}
8.4、编写求出当前队列的有效数据个数的方法
//求出当前队列的有效数据个数
public int size() {
return (rear+maxSize-front) % maxSize;
}
8.5、编写显示队列所有数据的方法
//显示队列所有数据
public void showQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！");
return;
}
//运行到此处说明队列不为空
//遍历数组，显示所有数据
//思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
for (int i=0; i<front+size(); i++) {
System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i%maxSize, arr[i%maxSize]);
}
}
8.6、编写显示队列头数据的方法
//显示队列头的数据，不是取出数据
public int headQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
//队列为空，抛异常
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据！");
}
//运行到此处说明队列不为空，返回队列头的数据
return arr[front];
}
8.7、完整代码
package com.njy.sparseArr;
import java.util.Scanner;
public class CircleArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
//测试一把
//创建一个环形队列
CircleArrayQueue queue = new CircleArrayQueue(4); //设置为4，环形队列最大有效数据为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("请输入一个数：");
int value = scanner.nextInt();
queue.addQueue(value);
break;
case 'g': //取出数据
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': //显示队列头数据
try {
int head = queue.headQueue();
System.out.printf("队列头数据为：%d", head);
}catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
case 'e': //退出
scanner.close();
loop = false;
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出！");
}
}
class CircleArrayQueue {
private int maxSize; //表示数组最大容量
//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; //队列头
//rear变量的含义做一个调整：rear指向队列的最后一个元素的后一个位置，因为想空出一个空间做为约定
// rear的初始值 = 0
private int rear; //队列尾
private int[] arr; //该数组用于存放数据，模拟队列
public CircleArrayQueue(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[arrMaxSize];
}
//判断队列是否满
public boolean isFull() {
return (rear+1)%maxSize == front;
}
//判断对列是否为空
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
//添加数据到队列-入队列
public void addQueue(int n) {
//先判断队列是否满
if (isFull()){
System.out.println("队列已满，不能添加数据！");
//结束程序
return;
}
//程序运行到此处说明队列不满
//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;
}
//从队列中取出数据-出队列
public int getQueue() {
//先判断队列是否为空,若为空则抛出异常
if (isEmpty()) {
//为空，抛出异常
throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据！");
}
//程序运行到此处说明队列不为空
//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;
}
//求出当前队列的有效数据个数
public int size() {
return (rear+maxSize-front) % maxSize;
}
//显示队列所有数据
public void showQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！");
return;
}
//运行到此处说明队列不为空
//遍历数组，显示所有数据
//思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
for (int i=0; i<front+size(); i++) {
System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i%maxSize, arr[i%maxSize]);
}
}
//显示队列头的数据，不是取出数据
public int headQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
//队列为空，抛异常
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据！");
}
//运行到此处说明队列不为空，返回队列头的数据
return arr[front];
}
}
//从队列中取出数据-出队列
public int getQueue() {
//先判断队列是否为空,若为空则抛出异常
if (isEmpty()) {
//为空，抛出异常
throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据！");
}
//程序运行到此处说明队列不为空
//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;
}
//求出当前队列的有效数据个数
public int size() {
return (rear+maxSize-front) % maxSize;
}
//显示队列所有数据
public void showQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！");
return;
}
//运行到此处说明队列不为空
//遍历数组，显示所有数据
//思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
for (int i=0; i<front+size(); i++) {
System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i%maxSize, arr[i%maxSize]);
}
}
//显示队列头的数据，不是取出数据
public int headQueue() {
//先判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
//队列为空，抛异常
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据！");
}
//运行到此处说明队列不为空，返回队列头的数据
return arr[front];
}
}