Java数据结构之队列

简介: 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
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一、队列

1. 队列介绍

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

示意图:(使用数组模拟队列示意图)
在这里插入图片描述

2 数组模拟队列思路

  1. 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。
  2. 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 frontrear 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:

添加操作

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

  • 将尾指针往后移:rear+1 , 当 front == rear 【队列为空】
  • 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]

3 队列的代码实现

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];
   // 指向队列头部,分析出front是指向队列头的前一个位置.防止当只有一个数据时font=rear无法判断是否为空
      front = -1; //出队列时先后移再出
      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),入队列时先后移再入
   }

   // 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() {
      // 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, 注意不是取出数据
   public int headQueue() {
      // 判断
      if (isEmpty()) {
         throw new RuntimeException("队列空的,没有数据~~");
      }
      return arr[front + 1];
   }
}

二、环形队列

1 实现思路

  • 初始位置: front 和 rear 的初始值都等于 0 。 front 指向队列第一个元素; rear 指向队列最后一个元素的后一个位置。因为希望空出一个位置判断队列空满情况。
  • 队列元素个数:不用 size 记录数据个数,而是用公式 (rear + maxSize - front) % maxSize 计算得出。
  • 队列为空:当 front == rear 时,队列为空。
  • 队列已满:当 (rear+1) % maxSize == front 时 ,队列已满。这一条设计得非常精妙,取模 % 是一个哈希操作,能够把运算结果限定在 0 ~ maxSize - 1 的区间内。 非常适合限制队尾指针 rear 的范围,避免空指针异常。

在这里插入图片描述

那么,循环队列为什么用空一个元素的位置呢???

这个是根据需要来用的
循环队列中,由于入队时尾指du针向前追赶头指针;zhi出队时头指针向前追赶尾指针,造成dao队空和队满时头尾指针均相等。因此,无法通过条件front==rear来判别队列是"空"还是"满"。

2 环形队列的代码实现

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() {
      // 判断队列是否空
      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()) {
         System.out.println("队列空的,没有数据~~");
         return;
      }
      // 思路:从front开始遍历,遍历多少个元素
      // 动脑筋
      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() {
      // rear = 2
      // front = 1
      // maxSize = 3 
      return (rear + maxSize - front) % maxSize;   
   }
   
   // 显示队列的头数据, 注意不是取出数据
   public int headQueue() {
      // 判断
      if (isEmpty()) {
         throw new RuntimeException("队列空的,没有数据~~");
      }
      return arr[front];
   }
}
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