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队列分为两种,一种是简单队列,一种是环形队列
队列是一种常见的数据结构,它是一种线性结构,可以理解为只允许在一端进行插入操作,而在另一端进行删除操作的线性表。在队列中,进行插入操作的一端称为队尾,进行删除操作的一端称为队头。
队列的特点是先进先出,即先插入的元素先被删除。队列可以用于很多场景,比如计算机中的任务调度、打印机任务队列等等。
环形队列是一种特殊的队列,它是在队列的基础上添加了一些限制条件,使得队列可以在固定大小的存储空间下进行循环使用。环形队列可以用数组实现,数组中的元素按照一定的顺序排列,并且当队列头或者队列尾指针到达数组的尾部时,会自动从数组的头部开始重新循环使用。
环形队列的一个好处是,当队列满时,可以通过覆盖队列头部的元素来继续存储新的元素,这样可以使得队列在一定程度上具有循环使用的能力,节省存储空间。但是在使用环形队列时需要注意一些细节问题,比如队列空、队列满、队列大小等等。
队列和环形队列在计算机科学和工程中有许多应用场景,以下是一些例子:
1.任务调度:操作系统可以使用队列来实现任务调度,将各个进程放入队列中按照优先级进行调度执行。
2.消息传递:在消息队列系统中,消息被放入队列中,并按照一定的顺序被处理。
3.网络通信:网络传输中,消息包可以被组织成队列的形式,以确保它们以正确的顺序被传输和处理。
4.打印机任务队列:打印机可以使用队列来管理多个打印任务,确保它们按照正确的顺序进行打印。
5.广度优先搜索算法:广度优先搜索算法可以使用队列来实现,搜索树的每一层节点可以被放入队列中,
以便按照广度优先的顺序进行搜索。
6.循环播放音频:在音频播放器中,可以使用环形队列来实现循环播放,确保音频可以以连续的方式进行播放。
7.缓存:在计算机系统中,缓存可以使用队列来实现,最近使用的数据可以放入队列的队尾,以便快速访问。
总之,队列和环形队列在很多场景中都有着广泛的应用,它们是实现许多计算机科学和工程问题的重要工具。
队列和环形队列的优缺点如下:
综上所述,队列和环形队列各自有其优缺点,需要根据具体的应用场景来选择合适的数据结构。如果需要按照顺序处理元素并且不需要动态调整队列的大小,可以选择队列;如果需要节省存储空间并且能够循环利用队列的存储空间,可以选择环形队列。
实现思路:
此处队列满,有效数据个数的分析如下:
下面说一下关于为什么队列满的索引值是 (maxSize-1)-1 :
这是一个约定俗成的记法,只是为了增加代码的阅读性,此处浪费数组最后一个存储空间进行约定。也可以不这么处理。
代码编写流程:
完整代码如下(内附详细注释):
package queueArray;
import java.util.Arrays;
/**
* @author 逐梦苍穹
* @date 2023/4/17 13:44
*/
public class QueueArray {
public int maxSize; //确定最大容量
public int front; //队列头
public int rear; //队列尾
public int[] array; //数组实现队列
/**
* 初始化构造器。此处有一个JavaSE的知识:声明了有参构造器,则自动缺失了无参构造器
*/
public QueueArray(int maxSize) {
this.maxSize = maxSize;
front = -1;
rear = -1;
array = new int[maxSize];
}
/**
* 判断队列是否为空
*/
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
/**
* 判断队列是否为满
*/
public boolean isFull() {
return rear == (maxSize - 1);
}
/**
* 判断队列中存放了多少个有效数据
*/
public int effectiveData() {
return (rear - front);
}
/**
* 添加数据到队列(先进后出原则)
*/
public void addQueue(int addData) {
//先判断是否为满
if (isFull()) {
System.out.println("队列满,无法添加");
} else {
rear++;
array[rear] = addData;
}
}
/**
* 从队列中取数据(先进后出原则)
*/
public int getQueue() {
//判断是否空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空,无法获取");
return 0;
} else {
front++; //front一开始索引是-1,所以要先自增1才能取到队列中的数据
int temporary = array[front];
array[front] = 0;
return temporary;
}
}
/**
* 显示当前队列中所有的有效数据
*/
public void showQueueData() {
//判断是否为空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空,无法显示");
} else {
for (int i = front + 1; i <= rear; i++) {
System.out.printf("array[%d] = %d\n", i, array[i]);
}
}
}
/**
* 显示头数据(并非取出)
*/
public void showHeadData() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空,无法显示头数据");
} else {
System.out.println(array[front + 1]);
}
}
@Override
public String toString() {
return "QueueArray{" +
"maxSize=" + maxSize +
", front=" + front +
", rear=" + rear +
", array=" + Arrays.toString(array) +
'}';
}
}
普通队列存在的问题:空间无法复用。只能单向存储,无法循环存储:
现环形队列的重要思想:取模(对maxSize取模)
相比于之前的普通队列实现,在普通队列代码的基础上,作出如下修改:
1. front和rear初始化为0,指向数组第一个位置
2. rear的最大值不再是maxSize-1,而是预留了一个作为约定。即为(maxSize - 1 -1)
3. 判断队列是否为满:(rear + 1) % maxSize == front
4. 有效数据的个数:(rear - front + maxSize) % maxSize
5. 添加数据的rear"指针":rear = (rear + 1) % maxSize
5. 取出数据的front"指针":front = (front + 1) % maxSize
6. 显示所有数据的for循环起止条件
代码的总体实现思路和之前的普通队列一致。
下面是环形队列的完整代码:
package queueArray;
import java.util.Arrays;
/**
* @author 逐梦苍穹
* @date 2023/4/17 13:44
*/
public class CircleQueueArray {
public int maxSize; //确定最大容量
public int front; //队列头
public int rear; //队列尾,最后一个存储数据的索引为 (maxSize - 1) - 1
public int[] array; //数组实现队列
/**
* 初始化构造器。此处有一个JavaSE的知识:声明了有参构造器,则自动缺失了无参构造器
*/
public CircleQueueArray(int maxSize) {
//front和rear不需要初始化,在环形队列的实现中默认为0
this.maxSize = maxSize;
array = new int[maxSize];
}
/**
* 判断队列是否为空:
*/
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
/**
* 判断队列是否为满:(rear + 1) % maxSize == front
*/
public boolean isFull() {
//使用这种方式是因为环形队列,rear有可能是在front的后面
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
/**
* 判断队列中存放了多少个有效数据
*/
public int effectiveData() {
//加上maxSize是为了弥补当rear
return (rear - front + maxSize) % maxSize;
}
/**
* 添加数据到队列(先进后出原则)
*/
public void addQueue(int addData) {
//先判断是否为满
if (isFull()) {
System.out.println("队列满,无法添加");
} else {
//这里先把数据添加,再把rear后移
array[rear] = addData;
//后移要取模,因为要同时考虑普通队列和循环队列的情况
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
}
/**
* 从队列中取数据(先进后出原则)
*/
public int getQueue() {
//判断是否空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空,无法获取");
return 0;
} else {
//front默认为0
int temporary = array[front];
array[front] = 0;
//front指针下移一位,但是这里要取模
front = (front + 1) % maxSize;
return temporary;
}
}
/**
* 显示当前队列中所有的有效数据
*/
public void showQueueData() {
//判断是否为空
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空,无法显示");
} else {
//现在是从front开始
for (int i = front; i < front + effectiveData(); i++) {
System.out.printf("array[%d] = %d\n", i % maxSize, array[i % maxSize]);
}
}
}
/**
* 显示头数据(并非取出)
*/
public void showHeadData() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空,无法显示头数据");
} else {
System.out.println(array[front]);
}
}
@Override
public String toString() {
return "CircleQueueArray{" +
"maxSize=" + maxSize +
", front=" + front +
", rear=" + rear +
", array=" + Arrays.toString(array) +
'}';
}
}
到这里,队列和环形队列就介绍完了。
如果有什么错误请大家不吝赐教
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