【数据结构(二)】队列（2）
文章目录
- 1. 队列的应用场景和介绍
-
- 1.1. 队列的一个使用场景
- 1.2. 队列介绍
- 2. 数组模拟队列
-
- 2.1. 思路分析
- 2.2. 代码实现
- 3. 数组模拟环形队列
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- 3.1. 思路分析
- 3.2. 代码实现
1. 队列的应用场景和介绍
1.1. 队列的一个使用场景
银行排队的案例：
1.2. 队列介绍
- 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。后存入的要后取出
示意图：(使用数组模拟队列示意图)
2. 数组模拟队列
2.1. 思路分析
- 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, 其中
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，
如图所示：
当我们将数据存入队列时称为”addQueue”，addQueue 的处理需要有两个步骤：思路分析
①将尾指针往后移：rear+1 (当 front == rear 【队列为空】)
②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。(rear == maxSize - 1[队列满])
2.2. 代码实现
package 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 = ' ';//接收用户的输入
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("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) {
// TODO: handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h'://查看队列头的数据
try {
int res = queue.headQueue();
System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
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;//表示数组的最大容量
private int front;//队列头
private int rear;//队列尾
private int[] arr;//该数据用于存放数据，模拟队列
//创建队列的构造器
public ArrayQueue(int arrMaxSize){
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[maxSize];
front = -1;//指向队列头部，front是指向队列头的前一个位置
rear = -1;//指向队列尾，指向队列尾的数据（即 就是队列最后一个数据）
}
//判断队列是否满
public boolean isFull(){
return rear == maxSize - 1;
}
//判断队列是否为空
public boolean isEmpty(){
return rear == front;
}
//添加数据到队列
public void addQueue(int n){
//判断队列是否满
if(isFull()){
System.out.println("队列满，不能加入数据~");
return;
}
rear++;
arr[rear] = n;
}
//获取队列列表，出队列
public int getQueue(){
//判断队列是否为空
if(isEmpty()){
//通过抛出异常
throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
}
front++;//front后移
return arr[front];
}
//显示队列的所有数据
public void showQueue(){
//遍历
if(isEmpty()){
System.out.println("队列空的，没有数据~~");
return;
}
for(int i = 0; i < arr.length; i++){
System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
}
}
//显示队列的头数据，注意不是取出数据
public int headQueue(){
//判断
if(isEmpty()){
throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~");
}
return arr[front + 1];
}
}
运行结果：
注意：上述代码存在问题
虽然已经把所有数据取出来了，但是不能继续往里面加数据了，演示如下
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，改进成一个环形的队列 取模：%
3. 数组模拟环形队列
3.1. 思路分析
对前面的数组模拟队列的优化，充分利用数组。因此将数组看做是一个环形的。(通过取模的方式来实现即可)
分析说明：
- 尾索引的下一个为头索引时表示队列满，即将队列容量空出一个作为约定，这个在做判断队列满的时候需要注意
(rear + 1) % maxSize == front [队列满] rear == front [队列空]
分析示意图：
思路如下:
- 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
- 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. 因为希望空出一个空间做为约定。rear 的初始值 = 0
- 当队列满时，条件是
(rear + 1) % maxSize == front- 对队列为空的条件，
rear == front- 当我们这样分析， 队列中有效的数据的个数 为：
(rear + maxSize - front) % maxSize。比如 rear = 1,front = 0，有1个有效数据
3.2. 代码实现
package queue;
import java.util.Scanner;
public class CircleArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
//测试一把
System.out.println("测试数组模拟环形队列的案例~~~");
// 创建一个环形队列
CircleArray queue = new CircleArray(4); //说明设置4, 其队列的有效数据最大是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("输出一个数");
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) {
// TODO: handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h': // 查看队列头的数据
try {
int res = queue.headQueue();
System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'e': // 退出
scanner.close();
loop = false;
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出~~");
}
}
class CircleArray {
private int maxSize; // 表示数组的最大容量
//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;
//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. 因为希望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; // 该数据用于存放数据, 模拟队列
public CircleArray(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[maxSize];
}
// 判断队列是否满
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
// 判断队列是否为空
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
// 添加数据到队列
public void addQueue(int n) {
// 判断队列是否满
if (isFull()) {
System.out.println("队列满，不能加入数据~");
return;
}
//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;
}
// 获取队列的数据, 出队列
public int getQueue() {
// 判断队列是否空
if (isEmpty()) {
// 通过抛出异常
throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
}
// 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. 将临时保存的变量返回
int value = arr[front];
front = (front + 1) % maxSize;
return value;
}
// 显示队列的所有数据
public void showQueue() {
// 遍历
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空的，没有数据~~");
return;
}
// 思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
// 动脑筋
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() {
// rear = 2
// front = 1
// maxSize = 3
return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}
// 显示队列的头数据， 注意不是取出数据
public int headQueue() {
// 判断
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~~");
}
return arr[front];
}
}