队列的分析及优化

一、队列的介绍
1.队列是一个有序列表，可以用数组或者链表来实现。
2.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。
二、数组模拟队列
1.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。
2.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：
1⃣️将尾指针往后移：rear+1。当front==rear时，为空。
2⃣️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时，队列满。

public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String args[]){
        //开始测试
        //创建一个队列
        ArrayQueue queue=new ArrayQueue(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("输入一个数");
                    int value=scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g': //取数据
                    try{
                        int res=queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        //TODO:handle exception
                        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){
                        //TODO:handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop=false;
                    default:break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }

	public 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){
        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）
    }

    //判断队列是否满足
    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(){
        //判断是否为空
        if(isEmpty()){
            //通过抛出异常来处理
            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，不是取数据
    public int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列空的，没有数据");
        }
        return arr[front+1];
    }

此队列存在问题：目前数组使用一次就不能用了，没有达到复用的效果
优化方法：将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列。取模：%
三、使用数组模拟环形队列
1.思路分析
1⃣️front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的初始值为0。
2⃣️rear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作为约定。rear的初始值为0。
3⃣️当队列满时，条件是(rear+1)%maxSize=front。
4⃣️当队列为空的条件，rear=front。
5⃣️队列中有效的数据的个数为（rear+maxSize-front）%maxSize //rear=1，front=0
6⃣️我们可以在原来的队列上修改得到一个环形队列。

public static void main(String args[]){
        //开始测试
        //创建一个环形队列
        CircleArray queue=new CircleArray(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("输入一个数");
                    int value=scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g': //取数据
                    try{
                        int res=queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        //TODO:handle exception
                        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){
                        //TODO:handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop=false;
                default:break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }

	public class CircleArray {
    private int maxSize;  //表示数组的最大容量
    private int front;  //队列头，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的初始值为0。
    private int rear;  //队列尾，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作为约定。
                        // rear的初始值为0。
    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 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;
        }
        //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;
    }

    //获取队列的数据，出队列
    public int getQueue(){
        //判断是否为空
        if(isEmpty()){
            //通过抛出异常来处理
            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;
        }
        for (int i=0;i<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，不是取数据
    public int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列空的，没有数据");
        }
        return arr[front];
    }
}