Java数据结构-队列

Posted 2021-10-08 之墨_

Java数据结构-队列

• 队列
• 数组模拟队列
• • 思路
  • 示意图
  • 代码实现
• 数组模拟环形队列
• • 分析说明
  • 思路
  • 代码实现

队列

➢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

数组模拟队列

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:

示意图

➢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 [队列为空]
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，当rear == maxSize- 1 [队列已满]

代码实现

package DataStructure;

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueue {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个队列
        ArrayQueuePlus queue = new ArrayQueuePlus(3);
        char key = ' ';//接收用户输入
        Scanner scanner = 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):查看队列头的数据");
            key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
            switch (key){
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输出一个数");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try{
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据为%d\\n",res);
                    }catch (Exception e ){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try{
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据为%d\\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("");
    }
}
//使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class ArrayQueuePlus {
    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;//用于存放数据的数组，模拟队列

    //创建队列的构造器
    public ArrayQueuePlus(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front = -1;//指向队列头部，front指向队列头部的前一个位置
        rear = -1; //指向队列尾部，指向队列尾的数据（就是队列的最后一个数据
    }

    //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;
    }

    //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() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            //通过抛出异常处理
            throw new RuntimeException("队列为空，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("队列为空");
            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，不是取出数据
    public int headQueue() {
        //判断是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
        }
        return arr[front+1];
    }
}

数组模拟环形队列

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]

思路

1. front变量的含义调整: front 就指向队列的第1个元素, 也就是说arr[front]就是队列的第1个元素；front的初始值=0
2. rear 变量的含义调整: rear 指向队列的最后1个元素的后1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，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

代码实现

package DataStructure;

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueue {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("测试数组模拟环形队列");
        //创建一个环形队列
        CircleArray queue = new CircleArray(4);//设置为4，队列的有效数据最大为3
        char key = ' ';//接收用户输入
        Scanner scanner = 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):查看队列头的数据");
            key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
            switch (key){
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输出一个数");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try{
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据为%d\\n",res);
                    }catch (Exception e ){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try{
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据为%d\\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("");
    }
}
class CircleArray{
    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;//用于存放数据的数组，模拟队列

    public CircleArray(int arrMaxSize){
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
    }
    //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;
    }
    //添加数据到队列
    public void addQueue(int n){
        //判断队列是否已满
        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，这里必须考虑取模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }
    public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if(isEmpty()){
            //通过抛出异常
            throw new RuntimeException("队列为空，不能取数据");
        }
        //这里需要分析出front是指向队列的第一个元素
        //先将front对应的值保留到一个临时变量
        //将front后移，考虑取模
        //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(){
        if(isEmpty()){
            //通过抛出异常
            System.out.println("队列为空");
            return;
        }
        //思路：从front开始，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的个数
    public int size(){
        return (rear + maxSize - front)% maxSize;
    }

    //显示队列的第一个元素
    public int headQueue() {
        //判断是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
        }
        return arr[front];
    }
}