使用数组模拟普通队列，环形队列，(Java数据结构之队列)

Posted 2021-07-24 孟挽周

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• 队列
• • 使用数组模拟队列
  • 使用数组模拟环形队列

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队列

• 队列是一个有序列表，可以用数组(顺序存储)或是链表(链式存储)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。
  

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使用数组模拟队列

• 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会随着数据输出从而改变，而rear则是随着数据输入而改变。

如图所示：

思路分析：

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：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：

使用数组模拟队列，编写一个ArrayQueue类

   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; //该数组用于存放数据，模拟队列

        //创建队列的构造器
        public ArrayQueue(int arrMaxSize){
            this.maxSize=arrMaxSize;
            this.arr=new int[this.maxSize];
            this.front=-1; //指向队列头部，分析出front是指向队列头的前一个位置。
            this.rear=-1; //指向队列尾，指向队列尾的数据(就是队列中最后一个数据)。
        }

        //判断队列是否满
        public boolean isFull(){
            return this.rear == this.maxSize-1;
        }

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

        //添加数据到队列
        public void addQueue(int n){
            if (isFull()){
                System.out.println("队列满，不能加入数据");
                return;
            }
            this.rear++; //让rear后移
            this.arr[rear]=n;
        }
        
        //获取队列的数据，出队列
        public int getQueue(){
            //判断队列是否为空
            if (isEmpty()){
                //通过抛出异常
                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(){
            if (isEmpty()){
                System.out.println("队列空，没有数据");
            }
            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：不是取数据
        public int headQueue(){
            //判断
            if (isEmpty()){
                throw new RuntimeException("队列空的，没有数据");
            }
            return arr[front+1];
        }
    }

对模拟队列进行测试

    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue arrayQueue= new ArrayQueue(3);
        Scanner inpunt =new Scanner(System.in);
        Boolean b=true;
        do {
            switch (inpunt.nextInt()){
                case 1:{
                    try {
                        System.out.println("显示队列所有数据");
                        arrayQueue.showQueue();
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                }
                case 2:{
                    System.out.println("添加数据到队列");
                    arrayQueue.addQueue(inpunt.nextInt());
                    break;
                }
                case 3:{
                    try {
                        System.out.println("显示队列的头数据");
                        int headQueue = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.println("队列头："+headQueue);
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                }
                case 4:{
                    try {
                        System.out.println("从队列中取数据");
                        int queueQueue = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取数据："+queueQueue);
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                }
                default:{
                    b=false;
                }
            }
        }while (b);
    }

• 测试1：添加数据并显示队列所有数据 可以看出现在队列中添加了三个数据分别为 10,20,30

• 测试2：查看头数据，然后取出数据后，再次查看头数据 因为队列遵循先进先出的原则，这边取完数据再查看队列，头数据为第二次添加的数据。

• 测试3：取出所有数据在添加数据。注意看这里，当我们数据取完后，在添加数据就会出现问题。
  

问题分析及优化：

• 目前我们的数组使用一次就不能用了，没有达到复用的效果。
• 我们可以将这个数组使用算法改进成一个环形的队列。

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使用数组模拟环形队列

思路分析

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的初始值 = 0；
2. rear 变量的含义也做一个调整，rear指向队列的最后一个元素的最后一个位置。因为希望空出一个空间做为约定。rear的初始值也 = 0;
3. 当队列满时，条件是 （rear+1）% maxSize = front [满]
4. 当队列为空的条件是rear == front空。
5. 队列中有效数据的个数 (rear+maxSize-front)%maxSize // rear = 1 front = 0

代码实现

对前面的数组模拟队列进行优化，充分利用数组，因此将数组看作是一个环形的。(通过取模的方式来实现即可)

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的初始值 = 0；
    private int front;
    //rear 变量的含义也做一个调整，rear指向队列的最后一个元素的最后一个位置。因为希望空出一个空间做为约定。rear的初始值也 = 0;
    private int rear;
    private int [] arr; //该数组用于存放数据，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 this.rear == this.front;
    }

    //添加数据到队列
    public void addQueue(int n){
        if (isFull()){
            System.out.println("队列满，不能加入数据");
            return;
        }
        //直接将数据加入
        arr[rear] = n;
        //将 rear 后移，这里必须考虑去模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    //获取队列的数据，出队列
    public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()){
            //通过抛出异常
            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()){
            throw  new RuntimeException("队列空，没有数据");
        }
        //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\\n",i % maxSize,arr[i % maxSize]);
        }
    }

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


    //显示队列的头数据，注意：不是取数据
    public int headQueue(){
        //判断
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列空的，没有数据");
        }
        return arr[front];
    }

}

对环形队列进行测试

    public static void main(String[] args) {
        //测试数组模拟环形队列
        CircleArray circleArray= new CircleArray(4);  //设置4,其队列的有效数据最大是3
        Scanner inpunt =new Scanner(System.in);
        Boolean b=true;
        do {
            switch (inpunt.nextInt()){
                case 1:{
                    try {
                        System.out.println("显示队列所有数据");
                        circleArray.showQueue();
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                }
                case 2:{
                    System.out.println("添加数据到队列");
                    circleArray.addQueue(inpunt.nextInt());
                    break;
                }
                case 3:{
                    try {
                        System.out.println("显示队列的头数据");
                        int headQueue = circleArray.headQueue();
                        System.out.println("队列头："+headQueue);
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                }
                case 4:{
                    try {
                        System.out.println("从队列中取数据");
                        int queueQueue = circleArray.getQueue();
                        System.out.println("取数据："+queueQueue);
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                    break;
                }
                default:{
                    b=false;
                }
            }
        }while (b);
    }

• 测试1往环形队列中添加数据
  

• 测试2 从环形队列中取数据
  

• 测试3 取数据后重新添加数据
  

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