Java队列篇之实现数组模拟队列及可复用环形队列详解

更新时间：2021年10月13日 10:16:04 作者：叶绿体不忘呼吸

像栈一样，队列（queue）也是一种线性表，它的特性是先进先出，插入在一端，删除在另一端。就像排队一样，刚来的人入队（push）要排在队尾(rear)，每次出队(pop)的都是队首(front)的人

队列简介

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，先取出，后存入的后取出。

示意图：(使用数组模拟队列示意图)

在这里插入图片描述

有两个分别指向头部和尾部的“指针”。

数组模拟队列（无法复用）

1、实现思路

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：

在这里插入图片描述

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：
①将尾指针往后移。
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+1当front== rear[空]
rear==maxSize-1[队列满]

2、代码实现

①数组实现队列类

class ArrQueue {
    private int maxSize; //队列（数组）最大容量
    private int front; //指向队列头部
    private int rear; //指向队列尾部
    private int[] queue;

    //创造队列的构造器
    public ArrQueue(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        queue = new int[maxSize];
        front = -1; //其实是队列第一个元素的前一个索引
        rear = -1; //最后一个元素的索引
    }

    //判断是否满
    public boolean isFull(){
        return rear == maxSize - 1;
    }

    //判断是否空
    public boolean isEmpty(){
        return front == rear;
    }

    //添加元素
    public void addQueue(int n){
        if (isFull()){
            System.out.println("队列已经满了，无法添加！");
            return;
        }else {
            rear++;
            queue[rear] = n;
        }

    }

    //取出元素
    public int getQueue(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，无元素可取！");
        }else {
            front++;
            return queue[front];
        }
    }

    //显示队列
    public void showQueue(){
        if (isEmpty()){
            System.out.println("队列为空，没有元素可显示！");
            return;
        }
        for (int i : queue){
            System.out.println(i);
        }
    }

    //显示头数据
    public void headQueue(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，没有头数据！");
        }
        int i = front;
        System.out.println(queue[++i]);
    }

}

②测试类

import java.util.Scanner;

/**
 * @Author: Yeman
 * @Date: 2021-10-11-22:02
 * @Description:
 */
public class ArrayQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个队列
        ArrQueue arrQueue = new ArrQueue(3);
        //创建一个用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        //创建一个功能菜单
        char key = ' ';
        boolean isShow = true;
        while (isShow){
            System.out.println("s:显示队列");
            System.out.println("a:添加数据");
            System.out.println("g:取出数据");
            System.out.println("h:显示头数据");
            System.out.println("e:退出程序");
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key){
                case 's' :
                    arrQueue.showQueue();
                    break;
                case 'a' :
                    System.out.println("请输入一个数：");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g' :
                    try {
                        System.out.println(arrQueue.getQueue());
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                case 'h' :
                    try {
                        arrQueue.headQueue();
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                case 'e' :
                    isShow = false;
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出...");
    }
}

数组模拟环形队列（可复用）

对前面的数组模拟队列的优化，充分利用数组。将数组看做是一个环形的，即取出之后，有位置可以空出来添加。(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。在作判断队列满的时候需要注意(rear+ 1) % maxSize== front [满]
②rear == front [空]

1、思路如下:

①front 变量的含义调整：front 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的初始值为0。
②rear 变量的含义调整：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。
③当队列满时，条件是(rear + 1) % maxSize == front [满]
④对队列为空的条件是rear== front[空]
⑤当我们这样分析，队列中有效的数据的个数(rear + maxSize - front) % maxSize
⑥我们就可以在原来的队列上修改得到一个环形队列

2、代码实现

①数组实现环形队列类

class ArrQueue {
    private int maxSize; //队列（数组）最大容量
    private int front; //指向队列头部，队列第一个元素的索引
    private int rear; //指向队列尾部，队列最后一个元素的后一个索引
    private int[] queue;

    //创造队列的构造器
    public ArrQueue(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        queue = new int[maxSize];
    }

    //判断是否满
    public boolean isFull(){
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    //判断是否空
    public boolean isEmpty(){
        return front == rear;
    }

    //添加元素
    public void addQueue(int n){
        if (isFull()){
            System.out.println("队列已经满了，无法添加！");
            return;
        }else {
            queue[rear] = n;
            rear = (rear + 1) % maxSize;
        }

    }

    //取出元素
    public int getQueue(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，无元素可取！");
        }else {
            int data = queue[front];
            front = (front + 1) % maxSize;
            return data;
        }
    }

    //显示队列
    public void showQueue(){
        if (isEmpty()){
            System.out.println("队列为空，没有元素可显示！");
            return;
        }
        for (int i = front; i < front + size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d] = %d\n",i % maxSize,queue[i % maxSize]);
        }

    }
    //求当前队列有效数据个数
    public int size(){
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    //显示头数据
    public void headQueue(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，没有头数据！");
        }
        System.out.println(queue[front]);
    }
    
}

②测试类

import java.util.Scanner;

/**
 * @Author: Yeman
 * @Date: 2021-10-11-22:02
 * @Description:
 */
public class ArrayQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个队列
        ArrQueue arrQueue = new ArrQueue(3); //说明该环形队列的最大有效数据为2
        //创建一个用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        //创建一个功能菜单
        char key = ' ';
        boolean isShow = true;
        while (isShow){
            System.out.println("s:显示队列");
            System.out.println("a:添加数据");
            System.out.println("g:取出数据");
            System.out.println("h:显示头数据");
            System.out.println("e:退出程序");
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key){
                case 's' :
                    arrQueue.showQueue();
                    break;
                case 'a' :
                    System.out.println("请输入一个数：");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g' :
                    try {
                        System.out.println(arrQueue.getQueue());
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                case 'h' :
                    try {
                        arrQueue.headQueue();
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                case 'e' :
                    isShow = false;
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出...");
    }
}

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