数据结构--环形队列的介绍与实现
数据结构--环形队列实现
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- 一、环形队列实现原理
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- 环形队列的几个判断条件
- 二、代码实现
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- 1.环形队列类（CircleQueue）
- 2.环形队列类测试类
- 3.程序运行结果
- 4.完整代码
环形队列可以用数组实现，也可以使用循环链表实现.在使用数组实现循环队列的时候，需要理解清楚队列头和队列尾的判断空还是满的处理方法；
环形队列的优点：
- 避免假溢出现象（由于入队和出队的操作，头尾指针只增加不减少，致使被删元素的空间永远无法重新利用，当队列继续存储元素时，出现尾指针已经到达了队列尾，而实际头指针前面并未满的情况），可以将队列空间充分重复利用
- 首尾相连的FIFO的数据结构，采用数据的线性空间，数据组织简单，能快速知道队列是否满/空
- 广泛用于网络数据收发，和不同程序间数据交换，均使用了环形队列
一、环形队列实现原理
内存上并没有环形的结构，因此环形队列实际上是数组的线性空间来实现的。
当数据到了尾部该如何处理呢？它将转回到原来位置进行处理，通过取模操作来实现
环形队列的几个判断条件
front:指向队列的第一个元素，初始值front=0
rear: 指向队列的最后一个元素的后一个位置（预留一个空间作为约定）,初始值rear=0
maxSize: 数组的最大容量
-
队空：front == rear
-
队满：(rear+1)%maxSize == front
-
队列中的有效数据个数：（rear+maxSize-front）% maxSize
其中判断队列满的思想的话，可以看下图，因为是环形的，起初front=rear=0，每当添加元素时，将rear++，但是其实预留了一个长度没有用，比如定义的队列数组长度为5时，但是实际上可以使用的地址就是0,1,2,3，此时rear=4, 4这个空间用来判断队满的条件（rear+1）%maxSize==front
二、代码实现
1.环形队列类（CircleQueue）
/**
* 环形队列类
* 构造器
* 判断是否已满、判断是否空、查看队列数据、显示队列的有效数据个数、入队列、出队列
*/
class CircleQueue {
// 数组的最大容量
private final int maxSize;
// front指向队列的第一个元素，初始值为0
private int front;
// rear指向队列的最后一个元素的后一个位置，空出一个空间作为约定，初始值为0
private int rear;
// 存放数据，模拟队列
private final int[] arr;
// 创建队列构造器
public CircleQueue(int maxSize) {
this.maxSize = maxSize;
front = 0;
rear = 0;
arr = new int[maxSize];
}
// 判断队列是否已满
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
// 判断队列是否为空
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
// 查看队列数据,显示队列所有数据
public void showQueue() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！");
return;
}
// 从front开始遍历，注意遍历的元素个数
for (int i = front; i < front + size(); i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
}
}
// 求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，注意不是取出数据
public int headQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列是空的，没有数据！");
}
return arr[front];
}
// 添加数据到队列
public void addQueue(int n) {
if (isFull()) {
System.out.println("队列已满");
return;
}
arr[rear] = n;
System.out.println(n + "成功添加到队列");
// 将rear后移，这里必须考虑取模
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
// 从队列取出数据,，出队列
public int getQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
}
// 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. 将临时保存的变量取回
int value = arr[front];
front = (front + 1) % maxSize;
return value;
}
2.环形队列类测试类
/**
* @author Manix
* 环形队列测试类
*/
public class CircleArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个环形队列，maxSize设置说明，4，其队列的有效数据最大为3
CircleQueue circleQueue = new CircleQueue(4);
// 接收用户输入
char key = ' ';
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean loop = true;
// 输出一个菜单
while (loop) {
System.out.println("s(show),显示队列数据");
System.out.println("e(exit),退出队列");
System.out.println("a(add),添加数据到队列");
System.out.println("g(get),获取队列数据");
System.out.println("h(head),获取队列头数据");
// 接收输入的字符
key = scanner.next().charAt(0);
switch (key) {
case 's':
circleQueue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("输入一个数：");
int value = scanner.nextInt();
circleQueue.addQueue(value);
break;
case 'g':
try {
int res = circleQueue.getQueue();
System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h':
try {
int res = circleQueue.headQueue();
System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e':
loop = false;
scanner.close();
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("-----程序退出-----");
}
}
3.程序运行结果
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
s
队列为空，没有数据！
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
a
输入一个数：
10
10成功添加到队列
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
a
输入一个数：
20
20成功添加到队列
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
a
输入一个数：
60
60成功添加到队列
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
a20
输入一个数：
20
队列已满
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
s
arr[0]=10
arr[1]=20
arr[2]=60
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
a
输入一个数：
30
队列已满
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
s
arr[0]=10
arr[1]=20
arr[2]=60
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
g
取出的数据是10
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
g
取出的数据是20
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
s
arr[2]=60
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
h
队列头的数据是60
s(show),显示队列数据
e(exit),退出队列
a(add),添加数据到队列
g(get),获取队列数据
h(head),获取队列头数据
4.完整代码
/**
* @author Manix
* 环形队列测试类
*/
public class CircleArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个环形队列，maxSize设置说明，4，其队列的有效数据最大为3
CircleQueue circleQueue = new CircleQueue(4);
// 接收用户输入
char key = ' ';
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean loop = true;
// 输出一个菜单
while (loop) {
System.out.println("s(show),显示队列数据");
System.out.println("e(exit),退出队列");
System.out.println("a(add),添加数据到队列");
System.out.println("g(get),获取队列数据");
System.out.println("h(head),获取队列头数据");
// 接收输入的字符
key = scanner.next().charAt(0);
switch (key) {
case 's':
circleQueue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("输入一个数：");
int value = scanner.nextInt();
circleQueue.addQueue(value);
break;
case 'g':
try {
int res = circleQueue.getQueue();
System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h':
try {
int res = circleQueue.headQueue();
System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e':
loop = false;
scanner.close();
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("-----程序退出-----");
}
}
/**
* 环形队列类
* 构造器
* 判断是否已满、判断是否空、查看队列数据、显示队列的有效数据个数、入队列、出队列
*/
class CircleQueue {
// 数组的最大容量
private final int maxSize;
// front指向队列的第一个元素，初始值为0
private int front;
// rear指向队列的最后一个元素的后一个位置，空出一个空间作为约定，初始值为0
private int rear;
// 存放数据，模拟队列
private final int[] arr;
// 创建队列构造器
public CircleQueue(int maxSize) {
this.maxSize = maxSize;
front = 0;
rear = 0;
arr = new int[maxSize];
}
// 判断队列是否已满
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
// 判断队列是否为空
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
// 查看队列数据,显示队列所有数据
public void showQueue() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！");
return;
}
// 从front开始遍历，注意遍历的元素个数
for (int i = front; i < front + size(); i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
}
}
// 求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，注意不是取出数据
public int headQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列是空的，没有数据！");
}
return arr[front];
}
// 添加数据到队列
public void addQueue(int n) {
if (isFull()) {
System.out.println("队列已满");
return;
}
arr[rear] = n;
System.out.println(n + "成功添加到队列");
// 将rear后移，这里必须考虑取模
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
// 从队列取出数据,，出队列
public int getQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
}
// 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. 将临时保存的变量取回
int value = arr[front];
front = (front + 1) % maxSize;
return value;
}
}