队列及环形队列

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

示意图:(使用数组模拟队列示意图)

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:思路分析

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

public class ArrayQueueDemo {
    
    
	public static void main(String[] args) {
    
    
		//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);//扫描输入
		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("输入一个整数：");
				int value = scanner.nextInt();
				queue.addQueue(value);
				break;
			case 'g': //取出数据
				try {
    
    
					int res = queue.getQueue();
					System.out.println("取出的数据是" + res+"\n");
				} 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.println("队列头的数据时%d\n,res");
				} catch (Exception e) {
    
    
					// TODO: handle exception
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case'e': //退出
				scanner.close();
				loop = false;
				break;
				
			default:
				break;
			}
		}
		System.out.println("程序退出~");
	}
}

//使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class ArrayQueue{
    
    
	private int maxSize;//表示数组最大容量
	private int front;//队列头
	private int rear;//队列尾
	private int[] arr;//该数据用于存放数据，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
	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("队列已满,不能添加数据~~");
			return;
		}
		rear++; //添加一个数据让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()) {
    
    
			throw new RuntimeException("队列空，数据以空！");
		}
		front++;
		return arr[front];
	}
	
	//显示队列的所有数据
	public void showQueue() {
    
    
		//遍历
		if(isEmpty()) {
    
    
			System.out.println("队列是空的，没有数据！");
			return;
		}
		
		for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
    
    
			System.out.println(arr[i]+"="+arr[i]);
		}
	}
	
	//显示队列的头数据，是取出数据
	public int headQueue() {
    
    
		//判断
		if(isEmpty()) {
    
    
			throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~~");
		}
		return arr[front+1];
	}
}

但是我们经过分析发现：我们加入数据后取出就不能再次加入了，因为在这里指针一直上移，不会返回，这个数组只能使用一次，不能复用，没有达到复用的效果。我们可以使用算法将其改成一个环形数组。

问题分析并优化
1)目前数组使用一次就不能用，没有达到复用的效果
2)将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列取模:%

思路如下:

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
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 // rear = 1 front = 0
6. 我们就可以在原来的队列上修改得到，一个环形队列

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)

代码实现

package com.acoffee.dataStructures;

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案列！");
		//测试
		//创建一个环形队列
		CircleArray queue = new CircleArray(4);//这里设置4，其队列的有效数据最大是3
		char key = ' ';//接收用户输入
		Scanner scanner = new Scanner(System.in);//扫描输入
		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("输入一个整数：");
				int value = scanner.nextInt();
				queue.addQueue(value);
				break;
			case 'g'://取出数据
				try {
    
    
					int res = queue.getQueue();
					System.out.println("取出的数据是" + res+"\n");
				} 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.println("队列头的数据时%d\n,res");
				} catch (Exception e) {
    
    
					// TODO: handle exception
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case'e'://退出
				scanner.close();
				loop = false;
				break;
				
			default:
				break;
			}
		}
		System.out.println("程序退出~");
	
		}
	}

	class CircleArray {
    
    
		private int maxSize;// 表示数组最大容量
		//	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;// 队列头
		//	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 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("队列已满,不能添加数据~~");
				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;
		}
		
		//获取队列的数据,出队列
		public int getQueue() {
    
    
			//判断队列是否为空
			if(isEmpty()) {
    
    
				throw new RuntimeException("队列空，数据以空！");
			}
			//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
			//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("队列是空的，没有数据！");
				return;
			}
			//思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
			//
			for (int i = 0; i < front + size(); i++) {
    
    
				System.out.println("arr["+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，是取出数据
		public int headQueue() {
    
    
			//判断
			if(isEmpty()) {
    
    
				throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~~");
			}
			return arr[front+1];
		}	
	}

即可实现队列的重复利用，关键点在于利用取模算法从而实现循环。