Java数据结构与算法——队列

Posted 2022-03-15 张起灵-小哥

1.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，要先取出。后存入的要后取出。

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：

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2.数组模拟普通队列

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

将尾指针往后移：rear+1 , 当front == rear 【空】

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]

package com.szh.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 *
 */
class ArrayQueue 
    private Integer maxSize; //队列的最大容量
    private Integer front;   //队列头
    private Integer rear;    //队列尾
    private Integer[] arr;   //数组模拟队列

    public ArrayQueue(Integer maxSize) 
        this.maxSize = maxSize;
        arr = new Integer[this.maxSize]; //创建队列
        this.front = -1; //指向队列头的前一个位置
        this.rear = -1;  //指向队列尾的当前位置
    

    //判断队列是否已满
    public boolean isFull() 
        return rear == maxSize - 1;
    

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

    //向队列中添加数据
    public void addQueue(int n) 
        if (isFull()) 
            System.out.println("队列已满，无法继续添加数据。");
            return;
        
        arr[++rear] = n;
    

    //从队列中取出数据
    public int getQueue() 
        if (isEmpty()) 
            throw new RuntimeException("队列已空，无法继续取出数据。");
        
        return arr[++front];
    

    //显示队列中所有的数据
    public void showQueue() 
        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
    public int headQueue() 
        if (isEmpty()) 
            throw new RuntimeException("队列空的，没有数据....");
        
        return arr[front + 1];
    


public class ArrayQueueDemo 
    public static void main(String[] args) 
        //创建一个队列
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        Scanner input = new Scanner(System.in);
        char key = ' ';
        boolean loop = true;
        //菜单循环
        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): 查看队列头的数据");
            key = input.next().charAt(0); //从控制台接收一个字符
            switch (key) 
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.print("请输入要添加的数据：");
                    int value = input.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    int res = arrayQueue.getQueue();
                    System.out.println("取出的数据是：" + res);
                    break;
                case 'h':
                    int ans = arrayQueue.headQueue();
                    System.out.printf("队列头的数据是%d\\n", ans);
                    break;
                case 'e':
                    input.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            
        
        System.out.println("程序退出....");
    

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3.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：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]

rear == front [空]

package com.szh.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 *
 */
class CircleArrayQueue 
    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 的初始值 = 0
    private int front;
    //rear 变量的含义做一个调整：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
    private int rear; // 队列尾
    private int[] arr; // 该数据用于存放数据, 模拟队列

    public CircleArrayQueue(int maxSize) 
        this.maxSize = maxSize;
        arr = new int[maxSize];
        this.front = 0;
        this.rear = 0;
    
    //判断队列是否已满
    public boolean isFull() 
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    

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

    //向队列中添加数据
    public void addQueue(int n) 
        if (isFull()) 
            System.out.println("队列已满，无法继续添加数据。");
            return;
        
        //直接将数据加入
        arr[rear] = n;
        //将 rear 后移, 这里必须考虑取模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    

    //从队列中取出数据
    public int getQueue() 
        if (isEmpty()) 
            throw new RuntimeException("队列已空，无法继续取出数据。");
        
        //这里需要分析出 front 是指向队列的第一个元素
        //先把 front 对应的值保留到一个临时变量
        int res = arr[front];
        //将 front 后移, 考虑取模
        front = (front + 1) % maxSize;
        //将临时保存的变量返回
        return res;
    

    //显示队列中所有的数据
    public void showQueue() 
        if (isEmpty()) 
            System.out.println("队列空的，没有数据....");
            return;
        
        int num = size();
        for (int i = front; i < front + num; i++) 
            System.out.printf("arr[%d]=%d\\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
        
    

    //显示队列的头数据
    public int headQueue() 
        if (isEmpty()) 
            throw new RuntimeException("队列空的，没有数据....");
        
        return arr[front];
    

    // 求出当前队列有效数据的个数
    public int size() 
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    


public class CircleArrayQueueDemo 
    public static void main(String[] args) 
        //创建一个队列, 说明设置4, 其队列的有效数据最大是3
        CircleArrayQueue arrayQueue = new CircleArrayQueue(4);
        Scanner input = new Scanner(System.in);
        char key = ' ';
        boolean loop = true;
        //菜单循环
        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): 查看队列头的数据");
            key = input.next().charAt(0); //从控制台接收一个字符
            switch (key) 
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.print("请输入要添加的数据：");
                    int value = input.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    int res = arrayQueue.getQueue();
                    System.out.println("取出的数据是：" + res);
                    break;
                case 'h':
                    int ans = arrayQueue.headQueue();
                    System.out.printf("队列头的数据是%d\\n", ans);
                    break;
                case 'e':
                    input.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            
        
        System.out.println("程序退出....");