Java数据结构学习Day1_队列_用数组模拟队列以及环形队列

队列

队列Queue

1.实际上是一个有序列表，可以用数组或者是链表来实现
2.遵循先进先出的原则（与栈相反，栈为先进后出）
3.示意图

数组模拟队列

一般队列

MaxSize为该队列的最大容量，两个变量rear和front分别标记队列前端和后端的位置，有元素出队时front+=1，有元素入队时rear+=1
思路分析：
1.有元素入队时rear+1,当front == rear时说明该队列为空
2.尾指针rear<MaxSize-1(最大的下标)时可以存进元素，队列不满，当rear == MaxSize时，队列满，无法存入元素
数组实现队列的问题：
1.目前数组使用一次就不能复用

代码实现：

package Ivan.queue;

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args){
        //测试。创建一个队列
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        char key = ' ';//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop){
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            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): 从队列取出队列");
            System.out.println("h(head): 查看队列头的数据");
            key = scanner.next().charAt(0);//接受用户输入命令
            switch (key){
                case 's':       //显示数据
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'a':       //添加数据
                    try {
                        System.out.println("请输入一个数字");
                        int value = scanner.nextInt();
                        arrayQueue.addQueue(value);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'g':       //取出数据
                    try{
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d
",res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':       //查看队列头部的数据e
                    try{
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头部数据是%d
",res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':       //退出命令
                    System.out.println("程序退出");
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    }
}

//使用数组模拟队列
class ArrayQueue{
    private int maxSize;    //表示最大容量
    private int front;      //表示头指针
    private int rear;       //表示尾指针
    private int[] arr;      //用于存放数据，模拟队列

    //创建队列构造器
    public ArrayQueue(int arrMaxSize){
        maxSize = arrMaxSize;
        rear = -1;     //指向队列尾部，指向队列尾部的数据
        front = -1;    //指向队列头部,front是指向队列头部的前一个位置，之后取数据需要先+1
        arr = new int[maxSize];
    }

    //判断队列是否为满
    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){
        //判断队列是否未满
        if (isFull()){
            throw new RuntimeException("队列已经满了");
        }
        rear++;
        arr[rear] = n;
    }

    //获取队列的数据，出队列
    public int getQueue(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
        }
        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];
    }
}

环形队列

优化：
1.将这个队列改进成一个环形队列

数组模拟环形队列
思路分析：
1.front：指向队列的第一个元素，也就是arr[front]就是队列的第一个元素，而不是arr[front-1]
2.Rear：指向队列的最后一个元素的后一个位置 ——为空出一个空间作为约定
3.当队列满时，条件为(rear + 1)%maxSize = front
4.当队列空时，条件为 rear == front
5.队列中有效数据的个数为(rear + maxSize - front) %maxSize
6.在原来的代码进行修改即可得到环形队列

代码实现

package Ivan.queue;

import java.util.Scanner;

public class CirceArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args){
        //测试。创建一个队列
        CircleArray circleArray = new CircleArray(4);//设置说明是4，但有效数据最大为3
        char key = ' '; //接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop){
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            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): 从队列取出队列");
            System.out.println("h(head): 查看队列头的数据");
            key = scanner.next().charAt(0);//接受用户输入命令
            switch (key){
                case 's':       //显示数据
                    circleArray.showQueue();
                    break;
                case 'a':       //添加数据
                    try {
                        System.out.println("请输入一个数字");
                        int value = scanner.nextInt();
                        circleArray.addQueue(value);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'g':       //取出数据
                    try{
                        int res = circleArray.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d
",res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':       //查看队列头部的数据e
                    try{
                        int res = circleArray.headQueue();
                        System.out.printf("队列头部数据是%d
",res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':       //退出命令
                    System.out.println("程序退出");
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    }
}


class CircleArray{
    private int maxSize;    //表示最大容量
    private int front;      //表示头指针,就指向队列第一个元素，初始值为0
    private int rear;       //表示尾指针，指向队列最后一个元素后一个位置，初始值也为0
    private int[] arr;      //用于存放数据，模拟队列

    public CircleArray(int arrMaxSize){
        maxSize = arrMaxSize;
        rear = 0;     //指向队列尾部后一个元素
        front = 0;    //指向队列头部的元素
        arr = new int[maxSize];
    }
    //判断队列是否为满
    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){
        //判断队列是否未满
        if (isFull()){
            throw new RuntimeException("队列已经满了");
        }
        arr[rear] = n;
        //rear后移，但必须取模，防止数据溢出
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    //获取队列的数据，出队列
    public int getQueue(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
        }
        int res = arr[front];
        front++;
        return res;
    }

    //求出当前队列有效值
    public int size(){
        return (rear - front + maxSize) %maxSize;
    }

    //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]);
        }*/
        //从front开始遍历
        int sum = size();
        for (int i = front; i < front + sum; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]%d
",i%maxSize,arr[i%maxSize]);
        }
    }

    //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];
    }
}