用Array实现队列结构碰到的一些问题

Posted 2020-10-22 hyper-xl

Algorithms课程里留了一个作业：用数组实现可自动扩充的队列数据结构。已经给了具体思路，但是实现还遇到了一些问题。
按照Stack的思路照搬，申请一个固定大小（capacity）的数组，用head和tail来指向头和尾。head++表示出队，tail++表示入队。为了方便，我把tail指向尾部的下一个，当head==tail是就为空。实现Stack时为了高效扩充，当超出capacity时将它扩充一倍（申请新数组复制原来的元素），出队时如果数据只占capacity的1/4则缩小一半。这样避免了最坏情况下频繁的扩大和缩小带来的空间和时间消耗。
head如果后移，那么它前面的空间可以再次利用。因此，当tail超出数组时可以移到开头。按照这样的想法，很容想到当tail大于capacity时将其移动到开头，然后根据tail和head的位置来索引队列。按照tail和head的先后一定能够做到啊。但事实是不行，如果仅仅把tail和head的值限制在capacity内时就不行了，比如，如果tail和head碰到了一起那是满了呢还是为空呢？而且，每个操作还有很复杂的判断，当最后知道不可以了后就想放弃这个问题了。但马上灵光乍现，不必要限制tail和head的大小啊，可以通过取其余数来索引啊。于是，问题变得和Stack的实现一样简单。仅仅多了索引的时候记得取余数来索引就好了。
写完碰到了一个小问题没注意，于是一直出错。写resize函数时偷懒，用foreach方式来遍历自己。结果遍历之前先修改了head和tail的值（resize将内容复制到新数组，因此要调整head和tail值），使得依赖这两个值的遍历没法正常完成。好在最后通过多次打印调试发现了这个问题。
附上未经修改为generics的源码，为了调试有的地方还改得麻烦了一点。
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import java.util.Iterator;
import java.util.NoSuchElementException;

public class ArrayQueue implements Iterable

private int[] list;
private int head,tail;
private int capacity;

@Override
public Iterator<Integer> iterator() {
    return new ListIterator();
}

private class ListIterator implements Iterator<Integer>{

    private int current = head-1;

    @Override
    public boolean hasNext() {
        return current != tail - 1;
    }

    @Override
    public Integer next() {
        current++;
        if(current < tail) {
            return list[idx(current)];
        }
        throw new NoSuchElementException();
    }
}

private void init() {
    list = new int[capacity];
    head = tail = 0;
}

public ArrayQueue(int capacity) {
    this.capacity = capacity;
    init();
}

public ArrayQueue() {
    this.capacity = 10;
    init();
}

public int size() {
    return tail - head;
}

public boolean isEmputy() {
    return size() == 0;
}

public void enqueue(int data) {
    if(size()+1 > capacity) {
        resize(capacity*2);
    }
    list[idx(tail++)] = data;
}

public int dequeue() throws Exception {
    if(isEmputy())
        throw new Exception("Emputy Queue");
    if(size()-1 < capacity/4) {
        resize(capacity/2);
    }
    int item = list[idx(head++)];
    return item;
}

public String toString() {
    String ret = "";
    for( int v : this) {
        ret += v + ", ";
    }
    ret += "capacity="+capacity;
    return ret;
}

private void resize(int capacity) {
    int[] old_list = this.list;
    int[] list = new int[capacity];
    int sz = size();
    Iterator<Integer> iter = this.iterator();
    for(int i=0; iter.hasNext(); i++) {
        list[i] = iter.next();
    }
    head = 0;
    tail = head+sz;
    this.list = list;
    this.capacity = capacity;
}

private int idx(int index) {
    return index % capacity;
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
    ArrayQueue que = new ArrayQueue();
    for(int i =1; i<=10; i++) {
        que.enqueue(i);
    }
    System.out.println(que.toString());
    que.enqueue(11);
    que.enqueue(12);
    System.out.println(que.toString());
    que.dequeue();
    que.dequeue();
    que.dequeue();
    que.dequeue();
    que.dequeue();
    que.dequeue();
    que.dequeue();
    System.out.println(que.toString());
    que.dequeue();
    System.out.println(que.toString());
    que.dequeue();
    System.out.println(que.toString());
    que.dequeue();
    System.out.println(que.toString());
    que.dequeue();
    System.out.println(que.toString());
}

}

···