【数据结构】队列-数组模拟队列

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)

数组模拟队列

​ 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。

​ 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 【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]

1.rear 是队列最后[含]

2.front 是队列最前元素[不含]

数组模拟队列

出队列操作getQueue

显示队列的情况showQueue

查看队列头元素headQueue

退出系统exit

package com.doubledumbao.sparsearray.queue;

import java.util.Scanner;


/**
 * 测试队列
 */
public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        char key = ' ';//接收用户输入
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        boolean loop = true;
        while(loop){
            System.out.println("a(add):添加数据到队列");
            System.out.println("s(show):显示队列");
            System.out.println("e(exit):退出程序");
            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 'a':
                    System.out.println("输入一个数：");
                    int val = scanner.nextInt();
                    try {
                        arrayQueue.addQueue(val);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    } finally {
                    }
                    break;
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        System.out.println(arrayQueue.getQueue());
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    } finally {
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        System.out.println(arrayQueue.headQueue());
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    } finally {
                    }
                    break;
                case 'e':
                    loop = false;
                    scanner.close();
                    break;
                default:
                    break;

            }

        }

    }
}

/**
 * 数组模拟队列
 */
class ArrayQueue{
    //队列容量
    private int maxSize;
    //队列前端的下标
    private int front;
    //队列后端的下标
    private int rear;
    //存储数据
    private int[] arr;

    public ArrayQueue(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        this.front = -1;
        this.rear= -1;
        this.arr = new int[maxSize];
    }

    /**
     * 判断队列是否满了
     * @return
     */
    public boolean ifFull(){
        return rear == maxSize -1;
    }

    /**
     * 判断队列是否为空
     * @return
     */
    public boolean isEmpty(){
        return rear == front;
    }

    /**
     * 向队列中添加数据
     * @param a
     */
    public void addQueue(int a){
        if(ifFull()){
            throw new RuntimeException("队列已满，无法添加数据");
        }
        rear++;
        this.arr[rear] = a;
    }

    /**
     * 从队列中取出一个数据
     */
    public int getQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
        }
        front ++;
        return this.arr[front];
    }

    /**
     * 展示队列数据
     */
    public void showQueue(){
        if(isEmpty()){
            System.out.println("队列为空");
            return ;
        }
        for (int i = 0; i < this.arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d] = %d 
",i,arr[i]);
        }
    }

    /**
     * 查看队列头
     * @return
     */
    public int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空");
        }
        return this.arr[front+1];
    }


}

问题分析并优化

1. 目前数组使用一次就不能用， 没有达到复用的效果
2. 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：

1)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 满]

2)rear == front [空]

package com.doubledumbao.sparsearray.queue;

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        char key = ' ';//接收用户输入
        CircleArrayQueue arrayQueue = new CircleArrayQueue(4);
        boolean loop = true;
        while (loop) {
            System.out.println("a(add):添加数据到队列");
            System.out.println("s(show):显示队列");
            System.out.println("e(exit):退出程序");
            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 'a':
                    System.out.println("输入一个数：");
                    int val = scanner.nextInt();
                    try {
                        arrayQueue.addQueue(val);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    } finally {
                    }
                    break;
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        System.out.println(arrayQueue.getQueue());
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    } finally {
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        System.out.println(arrayQueue.headQueue());
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    } finally {
                    }
                    break;
                case 'e':
                    loop = false;
                    scanner.close();
                    break;
                default:
                    break;

            }

        }

    }
}

/**
 * 数组模拟环形队列
 */
class CircleArrayQueue {
    //队列容量
    private int maxSize;
    //队列前端的下标
    private int front;
    //队列后端的下标+1
    private int rear;
    //存储数据
    private int[] arr;

    public CircleArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        this.arr = new int[maxSize];
    }

    /**
     * 判断队列是否满了
     *
     * @return
     */
    public boolean ifFull() {
        return front == (rear + 1) % maxSize;
    }

    /**
     * 判断队列是否为空
     *
     * @return
     */
    public boolean isEmpty() {
        return rear == front;
    }

    /**
     * 向队列中添加数据
     *
     * @param a
     */
    public void addQueue(int a) {
        if (ifFull()) {
            throw new RuntimeException("队列已满，无法添加数据");
        }
        //直接将数据加入
        this.arr[rear] = a;
        //将rear后移，这里必须考虑取模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    /**
     * 从队列中取出一个数据
     */
    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。把临时保存的变量返回
        int value = arr[front];
        front = (front+1) % maxSize;
        return value;
    }

    /**
     * 展示队列数据
     */
    public void showQueue() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空");
            return;
        }
        //思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
        for (int i = front; i < front+size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d] = %d 
", i%maxSize, arr[i%maxSize]);
        }
    }

    /**
     * 查看队列头
     *
     * @return
     */
    public int headQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空");
        }
        return this.arr[front];
    }

    /**
     * 获取队列真实容量
     * @return
     */
    public int size(){
        return (rear+maxSize-front)%maxSize;
    }
}