数组实现Java 自定义Queue队列及应用操作

数组实现Java 自定义Queue队列及应用

Java 自定义队列Queue:

队列的抽象数据类型就是一个容器，其中的对象排成一个序列，我们只能访问和取出排在最前端（ Front）的对象，只能在队列的尾部（ Rear）插入新对象。

正是按照这一规则，才能保证最先被插入的对象首先被删除（ FIFO）。

java本身是有自带Queue类包，为了达到学习目的已经更好深入了解Queue队列，自己动手自建java Queue类是个很好的学习开始：

基于数组的实现

„ 顺序数组

借助一个定长数组 Q 来存放对象，即可简单地实现队列。那么，为了符合 FIFO 准则，应该如何表示和记录队列中各对象的次序呢？

一种自然的办法就是仿照栈的实现，以 Q[0]作为队首，其它对象顺序往后存放。然而如此一来，每次首元素出队之后，都需要将后续的所有元素向前顺移一个单元若队长为 n，这项工作需要O(n)时间，因此效率很低。

„ 循环数组

为了避免数组的整体移动，可以引入如下两个变量 f 和 r：

f：始终等于 Q 的首元素在数组中的下标，即指向下次出队元素的位置

r：始终等于 Q 的末元素的下标加一，即指向下次入队元素的位置

一开始， f = r = 0，此时队空。每次有对象入队时，将其存放于 Q[r]，然后 r 加一，以指向下一单元。对称地，每次有对象出队之后，也将 f 加一，指向新的队首元素。这样，对 front()、 enqueue()和 dequeue()方法的每一次调用都只需常数时间。

然而，这还不够。细心的读者或许已经注意到，按照上述约定，在队列的生命期内， f 和 r 始终在单调增加。因此，若队列数组的容量为 N，则在经过 N 次入队操作后， r 所指向的单元必然超出数组的范围；在经过 N 次出队操作后， f 所指向的单元也会出现类似的问题。

解决上述问题的一种简便方法，就是在每次 f 或 r 加一后，都要以数组的长度做取模运算，以保证其所指单元的合法性。就其效果而言，这就相当于把数组的头和尾相联，构成一个环状结构。

基于上述构想，可以得到如下所示java代码：

Queue类：

package com.queue;
import java.util.Arrays;
/**
 * 
 * @author gannyee
 *
 */
public class Queue {
    // Define capacity constant: CAPACITY
    private static final int CAPACITY = 1024;
    // Define capacity of queue
    private static int capacity;
    // Front of queue
    private static int front;
    // Tail of queue
    private static int tail;
    // Array for queue
    private static Object[] array;

    // Constructor of Queue class
    public Queue() {
        this.capacity = CAPACITY;
        array = new Object[capacity];
        front = tail = 0;
    }

    // Get size of queue
    public static int getSize() {
        if (isEmpty())
            return 0;
        else
            return (capacity + tail - front) % capacity;
    }

    // Whether is empty
    public static boolean isEmpty() {
        return (front == tail);
    }

    // put element into the end of queue
    public static void enqueue(Object element) throws ExceptionQueueFull {
        if (getSize() == capacity - 1)
            throw new ExceptionQueueFull("Queue is full");
        array[tail] = element;
        tail = (tail + 1) % capacity;
    }

    // get element from queue
    public static Object dequeue() throws ExceptionQueueEmpty {
        Object element;
        if (isEmpty())
            throw new ExceptionQueueEmpty("Queue is empty");
        element = array[front];
        front = (front + 1) % capacity;
        return element;
    }

    // Get the first element for queue
    public static Object frontElement() throws ExceptionQueueEmpty {
        if (isEmpty())
            throw new ExceptionQueueEmpty("Queue is empty");
        return array[front];
    }

    // Travel all elements of queue
    public static void getAllElements() {
        Object[] arrayList = new Object[getSize()];

        for (int i = front,j = 0; j < getSize(); i ++,j ++) {
                arrayList[j] = array[i];
        }
        System.out.println("All elements of queue: "
                + Arrays.toString(arrayList));
    }
}

自定义ExceptionStackEmpty异常类：

package com.queue;
public class ExceptionQueueEmpty extends Exception {
    // Constructor
    public ExceptionQueueEmpty() {

    }
    // Constructor with parameters
    public ExceptionQueueEmpty(String mag) {
        System.out.println(mag);
    }
}

自定义ExceptionStackFull异常类

package com.queue;
public class ExceptionQueueFull extends Exception {
    // Constructor
    public ExceptionQueueFull() {
    }

    // Constructor with parameters
    public ExceptionQueueFull(String mag) {
        System.out.println(mag);
    }
}

测试类:

package com.queue;
/**
 * QueueTest
 * @author gannyee
 *
 */
public class QueueTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub

        Queue queue = new Queue();
        System.out.println("The size of queue is: " + queue.getSize());
        System.out.println("Is empty: " + queue.isEmpty());
        try {
            queue.enqueue(8);
            queue.enqueue(3);
            queue.enqueue(5);
            queue.enqueue(7);
            queue.enqueue(9);
            queue.getAllElements();
            System.out.println("The size of queue is: " + queue.getSize());
            System.out.println("Is empty: " + queue.isEmpty());
            System.out.println("The front element of queue: "
                    + queue.frontElement());
            System.out.println(queue.dequeue());
            System.out.println(queue.dequeue());
            System.out.println(queue.dequeue());
            System.out.println(queue.dequeue());
            System.out.println(queue.dequeue());
            System.out.println("The size of queue is: " + queue.getSize());
            System.out.println("Is empty: " + queue.isEmpty());
        } catch (ExceptionQueueFull e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        } catch (ExceptionQueueEmpty e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

测试结果：

The size of queue is: 0
Is empty: true
All elements of queue: [8, 3, 5, 7, 9]
The size of queue is: 5
Is empty: false
The front element of queue: 8
8
3
5
7
9
The size of queue is: 0
Is empty: true

队列的应用：

孩提时的你是否玩过“烫手山芋”游戏：一群小孩围成一圈，有一个刚出锅的山芋在他们之间传递。其中一个孩子负责数数，每数一次，拿着山芋的孩子就把山芋转交给右边的邻居。一旦数到某个特定的数，拿着山芋的孩子就必须退出，然后重新数数。如此不断，最后剩下的那个孩子就是幸运者。通常，数数的规则总是从 1 开始，数到 k 时让拿着山芋的孩子出列，然后重新从 1 开始。Josephus问题可以表述为： n 个孩子玩这个游戏，最后的幸运者是谁？

为了解答这个问题，我们可以利用队列结构来表示围成一圈的n个孩子。一开始，假定对应于队列首节点的那个孩子拿着山芋。然后，按照游戏的规则，把“土豆”向后传递到第k个孩子（交替进行k次dequeue()和k次enqueue()操作），并让她出队（ dequeue()）。如此不断迭代，直到队长（getSize()）为 1。

Java代码如下：

package com.queue;
public class QueueBuilder {
    // Building string type array for queue
    public static Queue queueBuild(String[] str) {
        Queue queue = new Queue();

        for (int i = 0; i < str.length; i++) {
            try {
                queue.enqueue(str[i]);
            } catch (ExceptionQueueFull e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return queue;
    }

    // Weed out the kth kid who get the sweet potato
    public static String gameWiner(Queue queue, int k)
            throws ExceptionQueueFull, ExceptionQueueEmpty {

        if (queue.isEmpty())
            return null;
        while (queue.getSize() > 1) {
            queue.getAllElements();// Output recently queue
            for (int i = 0; i < k - 1; i++)
                queue.enqueue(queue.dequeue());
            System.out.println("\n\t" + queue.dequeue() + ": Weep out");
        }
        return (String) queue.dequeue();
    }
}

package com.queue;
public class QueueGame {

    public static void main(String[] args) throws ExceptionQueueFull, ExceptionQueueEmpty {
        // TODO Auto-generated method stub
        String[] kid = {"Alice", "Bob", "Cindy", "Doug", "Ed",
                        "Fred", "Gene", "Hope", "Irene", "Jack",
                        "Kim", "Lance", "Mike", "Nancy", "Ollie"};
        QueueBuilder qb = new QueueBuilder();
        System.out.println("The luck dog is: " + qb.gameWiner(qb.queueBuild(kid), 5));
    }
}

测试结果：

All elements of queue: [Alice, Bob, Cindy, Doug, Ed, Fred, Gene, Hope, Irene, Jack, Kim, Lance, Mike, Nancy, Ollie]

Ed: weep out
All elements of queue: [Fred, Gene, Hope, Irene, Jack, Kim, Lance, Mike, Nancy, Ollie, Alice, Bob, Cindy, Doug]

Jack: weep out
All elements of queue: [Kim, Lance, Mike, Nancy, Ollie, Alice, Bob, Cindy, Doug, Fred, Gene, Hope, Irene]

Ollie: weep out
All elements of queue: [Alice, Bob, Cindy, Doug, Fred, Gene, Hope, Irene, Kim, Lance, Mike, Nancy]

Fred: weep out
All elements of queue: [Gene, Hope, Irene, Kim, Lance, Mike, Nancy, Alice, Bob, Cindy, Doug]

Lance: weep out
All elements of queue: [Mike, Nancy, Alice, Bob, Cindy, Doug, Gene, Hope, Irene, Kim]

Cindy: weep out
All elements of queue: [Doug, Gene, Hope, Irene, Kim, Mike, Nancy, Alice, Bob]

Kim: weep out
All elements of queue: [Mike, Nancy, Alice, Bob, Doug, Gene, Hope, Irene]

Doug: weep out
All elements of queue: [Gene, Hope, Irene, Mike, Nancy, Alice, Bob]

Nancy: weep out
All elements of queue: [Alice, Bob, Gene, Hope, Irene, Mike]

Irene: weep out
All elements of queue: [Mike, Alice, Bob, Gene, Hope]

Hope: weep out
All elements of queue: [Mike, Alice, Bob, Gene]

Mike: weep out
All elements of queue: [Alice, Bob, Gene]

Bob: weep out
All elements of queue: [Gene, Alice]

Gene: weep out
The luck dog is: Alice

自定义简单Queue

队列及其特点

队列是人为认为的一种数据结构,并不是计算机内存中真正存储的,所以队列的实现是对顺序结构或者链式存储的一种封装

特点：先进先出，通常有两个方法入队:enqueue() 出队:dequeue()

基于单向链表实现队列

注:上一节我们自定义了链表,此文队列底层运用上节的LinkedList

package com.tangbaobao.queue;
import com.tangbaobao.LinkedList.MyLinkedList;
/**
 * 用单向链表队列
 *
 * @author 唐学俊
 * @create 2018/03/11
 **/
public class MyQueue {
    private int size;
    MyLinkedList linkedList = null;
    /**
     * 入队
     *
     * @param value
     */
    public void enqueue(int value) {
        if (linkedList == null) {
            linkedList = new MyLinkedList();
        }
        linkedList.add(value);
        size++;
    }
    /**
     * 出队
     *
     * @return
     */
    public Object dequeue() {
        Object value = 0;
        if (linkedList != null) {
            //每次弹出队列的头
            value = linkedList.get(0);
            linkedList.removeAt(0);
            size--;
        } else {
            try {
                throw new Exception("队列中没有元素");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return value;
    }
    /**
     * 返回队列大小
     *
     * @return
     */
    public int size() {
        return size;
    }
}

基于ArrayList实现队列

package com.tangbaobao.queue;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
 * 基于List实现队列
 *
 * @author 唐学俊
 * @create 2018/03/11
 **/
public class ListQueue {
    private int size;
    private List

数组实现Java 自定义Queue队列及应用操作