队列

队列的介绍

• 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.后存入的数据要后取
• 示意图:(使用数组模拟队列示意图)
  

数组模拟队列思路

• 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和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,如下图所示:
  
• 当我们将数据存入队列是称为"addQueue",addQueue的处理需要有两个步骤:思路分析
  • 将尾指针往后移:rear+1,当front==rear 时为空 注意,这里的front和rear初始值都是-1
  • 若尾指针rear小于队列的最大下标 maxSize-1,则可以将数据存入队列中,否则无法存入数据. rear == maxSize-1 队满

代码实现

public class arrayQueue {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
        char key=' '; //接受用户的输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输入一个菜单
        while (loop){
            System.out.println("s(show):显示队列");
            System.out.println("e(exit):退出程序");
            System.out.println("p(push):添加数据到队列");
            System.out.println("g(get):从队列中取出数据");
            System.out.println("h(head):查看队列头数据");
            key = scanner.next().charAt(0); //接受一个字符
            switch (key){
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'p':
                    System.out.println("请输入一个数:");
                    int val = scanner.nextInt();
                    queue.push(val);
                    break;
                case 'g':
                   try {
                       int res = queue.pop();
                       System.out.println("取出的数据为:"+res);
                   }catch (Exception e){
                       System.out.println(e.getMessage());
                   }
                   break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.println("取出的数据为:"+res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                default:
                    break;
            }
        }
    }
}
//使用数组模拟一个队列
class ArrayQueue{
    private int maxSize; //表示数组的最大容量
    private int front;//队头
    private int rear;//队尾
    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 size){
        this.maxSize = size;
        this.front = -1;
        this.rear = -1;
        this.arr = new int[maxSize];
    }
    //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 front == rear;
    }
    //添加数据到队列
    public void push(int num){
        //添加之前,先判断是否为满
        if (isFull()){
            System.out.println("队列满,不能添加数据!!");
            return;
        }
        rear++;
        arr[rear] = num;
    }
    //获取队列元素,出队列
    public int pop(){
        //出队之前,先判断是否为空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空,不能出队!!");
        }
        front++;
        return arr[front];
    }
    //显示队列的所有数据
    public void showQueue(){
        if (isEmpty()){
            System.out.println("队列为空,没有数据!!");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d] = %d
",i,arr[i]);
        }
    }

    //显示队列的头数据
    public int headQueue(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空,没有数据!!");
        }
        return arr[front+1];  //这里不是出队,不能修改front的值
    }
}

问题分析并优化

• 目前数组使用一次就不能用了,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:%

数组模拟环形队列

对前面的数组模拟队列进行优化,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)

• 分析说明:
  • 尾索引(rear)的下一个为头索引(front)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 满
  • rear == front 空
• 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指向队列最后一个元素的后一个位置,因为希望空出一个空间.rear的初始值=0
  • 当队列满时,条件是(rear+1)%maxSize == front
  • 当队列为空的条件是:rear == front
  • 队列中的有效数据个数是:(rear-front + maxSize)%maxSize

代码实现

public class circleArrayQueue {
    public static void main(String[] args) {
        CircleQueue queue = new CircleQueue(3);
        char key = ' '; //接受用户的输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输入一个菜单
        while (loop) {
            System.out.println("s(show):显示队列");
            System.out.println("e(exit):退出程序");
            System.out.println("p(push):添加数据到队列");
            System.out.println("g(get):从队列中取出数据");
            System.out.println("h(head):查看队列头数据");
            key = scanner.next().charAt(0); //接受一个字符
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'p':
                    System.out.println("请输入一个数:");
                    int val = scanner.nextInt();
                    queue.push(val);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = queue.pop();
                        System.out.println("取出的数据为:" + res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = queue.head();
                        System.out.println("取出的数据为:" + res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                default:
                    break;
            }
        }
    }
}

class CircleQueue {
    private int maxSize;
    private int front;
    private int rear;
    private int[] arr;

    //创建队列的构造器
    public CircleQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front = 0;
        rear = 0;
    }

    //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 push(int num) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满了,不能添加数据!!");
            return;
        }
        arr[rear] = num;
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    //获取队列元素,出队列
    public int pop() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,不能出队!!");
        }
        int tmp = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return tmp;
    }

    //显示队列的所有数据
    public void showQueue() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空,不能显示!!");
            return;
        }
        for (int i = front; i < front + size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d] = %d
", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
        }
    }

    //获取队列中有效的数据个数
    public int size() {
        return (rear - front + maxSize) % maxSize;
    }

    //显示队列的头数据
    public int head() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,不能显示!!");
        }
        return arr[front];
    }

}