Java数据结构：使用数组实现环形队列详解

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，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。
• 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

使用数组实现队列

• 静态队列
• 环形队列

静态队列实现

1. 了解到队列的基本概念之后，就需要准备以下参数

• int front = -1;(队头)
• int rear = -1;(队尾)
• int maxSize(最大数量)
• int [] array(数组)

这里我默认队头和队尾默认值为-1，可按自己想法确定

2. 解析几个必要方法

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

用于出队列时的判断，如果没有队列中没有数据，则不能出队列

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

用于加入队列的判断，如果队列已经满了，则不能加入队列

/**
     * 加入队列 从队尾开始添加 rear往后移动
     *
     * @param value
     */
    public void addQueue(int value) {
      if (isFull()) {
        System.out.println("队列已满！");
        return;
      }
      rear++;
      array[rear] = value;
      System.out.println("添加成功");
    }

加入队列，如果队列已满无法加入；否则队尾位置后移，添加到数组中

/** 取出队列 从队头开始取 font往后移动 */
    public int getQueue() throws Exception {
      if (isEmpty()) {
        throw new RuntimeException("队列为空！");
      }
      front++;
      int value = array[front];
      return value;
    }

出队列，如果队列为空无法移出；否则队头位置后移，获取结果

/** 输出队列 */
    public void showQueue() {
      if (isEmpty()) {
        System.out.println("队列为空！");
        return;
      }
      for (int i = front; i < array.length; i++) {
        System.out.printf("array[%d]：%d\n", i, array[i]);
      }
    }

输出队列结果，如果队列为空不输出；否则从队头位置开始，到数组最后位置进行输出

3.以上就是静态队列的重要几个方法的实现，可以发现使用数组实现静态队列，这个队列只能使用一次，因为当加入队列到达队列的最大值时，就已经无法添加了；下面继续使用数组来实现环形队列解决这个问题

环形队列实现

1. 重点：使用%取模实现简单算法，对实现静态队列的方法进行改造，保证始终在数组界限内操作
2. 准备参数

• int front = 0;(队头)
• int rear = 0;(队尾)
• int maxSize(最大数量)
• int [] array(数组)

现将队头和队尾默认值修改为0

3. 方法改造

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

不用改动

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

保证从队头开始到队尾等于最大数量则为满
rear+1：原因是如果当front和rear都为0时即满足isFull条件也满足isEmpty条件
所以+1是为了防止条件冲突，预留一个空位
%maxSize 是为了保证始终在数组下标界限内操作

 /**
   * 加入队列
   *
   * @param value
   */
  public void addQueue(int value) {
    if (isFull()) {
      System.out.println("队列已满！");
      return;
    }
    array[rear] = value;
    rear = (rear + 1) % maxSize;
    System.out.println("添加成功");
  }

从队尾开始添加 rear往后移动
%maxSize 是为了保证始终在数组下标界限内操作

/** 取出队列  */
  public int getQueue() throws Exception {
    if (isEmpty()) {
      throw new RuntimeException("队列为空！");
    }
    int value = array[front];
    front = (front + 1) % maxSize;
    return value;
  }

从队头开始取 front往后移动
%maxSize 是为了保证始终在数组下标界限内操作

/**
   * 计算队列中的有效数据个数
   *
   * @return
   */
  public int getSize() {
    return (rear - front + maxSize) % maxSize;
  }

新增方法，用于循环输出队列结果使用，静态队列使用的是数组长度，而环形队列则需要算出实际有效个数（其实就是从队头到队尾的数据）
拆分理解：
① (rear - front + maxSize) % maxSize = rear % maxSize + front % maxSize + maxSize % maxSize
②rear%maxSize：取实际在数组内有效下标 front同理
③(rear-front)%maxSize +1则为列尾和列首的距离
④+1是因为(rear-front)%maxSize是它们间的距离,实际+1才是有效个数
其实：(rear - front) % maxSize + 1更容易让人理解

/** 输出队列 */
  public void showQueue() {
    if (isEmpty()) {
      System.out.println("队列为空！");
      return;
    }
    for (int i = front; i < front + getSize(); i++) {
      // 取值时需要下标%maxSize,是因为如果发生先全添加后取出再添加不取出时，front会大于数组最大下标，导致异常
      System.out.printf("array[%d]：%d\n", i % maxSize, array[i % maxSize]);
    }
  }

front + getSize() 为最后一个数据的位置
i%maxSize 是为了保证始终在数组下标界限内操作

3.至此环形队列改造完成，对于第一次接触数据结构和算法的朋友，使用数组实现环形队列，需要仔细理解%和具体算法的的含义。这里附上github的代码地址供参考：https://github.com/hlning/CircularQueue.git。

结束语

本人不常写文章，如有问题，请大家多多指教，谢谢！