队列

• 队列是一个有序列表, 可以用数组或者链表来实现

• 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出.

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

• 当我们将数组存入队列时称为"addQueue", addQueue的处理需要有两个步骤:

  1. 将尾指针往后移: 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]

• 代码实现:

  package hello;
  
  import java.util.Scanner;
  
  public class Hello {
      public static void main(String[] args) {
          // 测试
          // 创建一个队列
          arrayQueue queue = new arrayQueue(3);
          char key = ' '; // 接收用户输入
          Scanner sc = 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): 查看队列头的的数据");
              key = sc.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 = sc.nextInt();
                      queue.addQueue(value);
                      break;
                  case 'g':
                      try {
                          int res = queue.getQueue();
                          System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                      } catch(Exception e) {
                          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) {
                          System.out.println(e.getMessage());
                      }
                      break;
                  case 'e': //退出
                      sc.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
  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, 分析出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++; // 让rear后移
          arr[rear] = n;
      }
  
      // 获取队列的数据, 出队列
      public int getQueue() {
          // 判断队列是否空
          if (isEmpty()) {
              // 通过抛异常来处理
              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()) {
  //            System.out.println("队列空的,没有数据~~");
              throw  new RuntimeException("队列空的没有数据~~");
          }
          return 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:%

• 思路如下:

  1. 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初始值= 0

  2. rear变量的含义做一个调整: rear指向队列的最后一个位置, 因为希望空出一个空间做为约定. rear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, 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 // rear = 1front =0

  6. 我们就可以在原来的队列上修改得到一个环形队列

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]

  3. 分析示意图:

  

  • 代码实现:

    package DataStructures;
    
    import java.util.Scanner;
    
    public class CircleArrayQueueDemo {
        public static void main(String[] args) {
    
            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);  //设置4, 其队列的有效数据最大是3
            char key = ' '; // 接收用户输入
            Scanner sc = 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): 查看队列头的的数据");
                key = sc.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 = sc.nextInt();
                        queue.addQueue(value);
                        break;
                    case 'g':
                        try {
                            int res = queue.getQueue();
                            System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                        } catch(Exception e) {
                            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) {
                            System.out.println(e.getMessage());
                        }
                        break;
                    case 'e': //退出
                        sc.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初始值= 0
        private int front; // 队列头
    //    rear变量的含义做一个调整: rear指向队列的最后一个位置, 因为希望空出一个空间做为约定. rear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;
            }
            arr[rear] = n; // 直接将数据加入
             // 让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()) {
                // 通过抛异常来处理
                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;
            }
            // 从front开始遍历 遍历多少个元素
            // 动脑筋
            for (int i = 0; i < front + size(); i++) {
                System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i % maxSize, arr[i]);
            }
        }
    
        // 求出当前队列有效数据的个数
        public int size() {
            return (rear + 1) % maxSize;
        }
    
        // 显示队列的头数据, 注意不是取出数据
        public int headQueue() {
            // 判断
            if (isEmpty()) {
    //            System.out.println("队列空的,没有数据~~");
                throw  new RuntimeException("队列空的没有数据~~");
            }
            return arr[front];
        }
    }