Java数据结构和算法(三) 数组模拟队列

逆流者 2021年02月21日 19次浏览

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。

数组模拟队列(非环形)

简单介绍

  • 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:
    在这里插入图片描述

  • 当我们将数据存入队列时(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。
    rear == maxSize - 1 队列满

代码实现

ArrayQueue 队列类,使用数组实现

package datastructure.queue;

/**
 * 使用数组模拟队列
 */
public class ArrayQueue {

    /**
     * 数组最大容量
     */
    private int maxSize;
    /**
     * 队列头
     */
    private int front;
    /**
     * 队列尾
     */
    private int rear;
    /**
     * 存放数据,模拟队列
     */
    private int[] array;

    public ArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        array = new int[maxSize];
        // 指向队列头部,它是指向队列头的前一个位置
        front = -1;
        // 指向队列尾部,指向队列尾的数据,即就是队列最后一个数据
        rear = -1;
    }

    /**
     * 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 data) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列已满,不能加入数据");
        } else {
            // ++rear rear 后移了一位
            array[++rear] = data;
        }
    }

    /**
     * 获取队列数据,出队列
     */
    public int getQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空,不能取数据~~");
        }
        // ++front front 后移了一位
        return array[++front];
    }

    /**
     * 显示队列所有数据
     */
    public void showQueue() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空!");
        } else {
            for (int i = front; i < rear; i++) {
                System.out.printf("array[%d]=%d\n", i + 1, array[i + 1]);
            }
        }
    }

    /**
     * 显示队列的头数据,不是取数据,只是查看
     */
    public int headQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空!");
        }
        return array[front + 1];
    }
}

ArrayQueueDemo 数组队列测试类

package datastructure.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * 队列测试类
 */
public class ArrayQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
        char key;
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        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);
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请数据一个数:");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int result = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n", result);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int result = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d\n", result);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出~~~~");
    }
}

测试结果:

s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
s
队列为空!
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请数据一个数:
1
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
s
array[0]=1
array[1]=0
array[2]=0
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请数据一个数:
2
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请数据一个数:
3
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请数据一个数:
4
队列已满,不能加入数据
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
s
array[0]=1
array[1]=2
array[2]=3
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
h
队列头的数据是1
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
g
取出的数据是1
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
h
队列头的数据是2
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
g
取出的数据是2
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
h
队列头的数据是3
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
g
取出的数据是3
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
h
队列为空!
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请数据一个数:
4
队列已满,不能加入数据
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
e
程序退出~~~~

观察测试结果,当队列中数据全部取出时,不能再次往队列中添加数据,这是目前遇到的问题,后面用环形队列的方式来解决这个问题。

数组模拟环形队列

简单介绍

  • 对前面的数组模拟队列优化,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)

实现思路:

  • front变量指向队列的第一个元素,初始值为0;
  • rear变量指向队列的最后一个元素的后一个位置,空出一个空间作为约定,初始值为0
  • 尾索引的下一个为头索引时表示队列满, 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 表示队列已满
  • rear == front 表示队列为空
  • 队列中的有效个数:(rear + maxSize - front) % maxSize

代码实现

CircleArrayQueue 环形队列类

/**
 * 使用数组模拟环形队列
 */
public class CircleArrayQueue {

    /**
     * 数组最大容量
     */
    private int maxSize;
    /**
     * 队列头, 指向队列的第一个元素
     * 初始值为 0
     */
    private int front;
    /**
     * 队列尾,指向队列的最后一个元素的后一个位置,希望空出一个空间作为约定
     * 初始值为 0
     */
    private int rear;
    /**
     * 存放数据,模拟队列
     */
    private int[] array;

    public CircleArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        array = 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 data) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列已满,不能加入数据");
        } else {
            array[rear] = data;
            // 将rear后移,这里必须取模
            rear = (rear + 1) % maxSize;
        }
    }

    /**
     * 获取队列数据,出队列
     */
    public int getQueue() {
        if (isEmpty()) {
            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、先将 front 对应的值保留到一个临时变量中
        // 2、将front后移,考虑取模
        // 3、将临时变量的值返回
        int value = array[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    /**
     * 显示队列所有数据
     */
    public void showQueue() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空!");
        } else {
            // 从front 开始遍历,遍历多少个元素
            for (int i = front; i < front + size(); i++) {
                System.out.printf("array[%d]=%d\n", i % maxSize, array[i % maxSize]);
            }
        }
    }

    /**
     * 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,只是查看
     */
    public int headQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空!");
        }
        return array[front];
    }
}

CircleArrayQueueDemo 环形队列测试类

/**
 * 队列测试类
 */
public class CircleArrayQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("------测试数组模拟环形队列-------");
        // 容量设置为4,其队列的有效数据最大是3
        CircleArrayQueue queue = new CircleArrayQueue(4);
        char key;
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        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);
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数:");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int result = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n", result);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int result = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d\n", result);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出~~~~");
    }
}

结果:

------测试数组模拟环形队列-------
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
s
队列为空!
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请输入一个数:
10
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请输入一个数:
20
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请输入一个数:
30
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请输入一个数:
40
队列已满,不能加入数据
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
s
array[0]=10
array[1]=20
array[2]=30
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
g
取出的数据是10
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
s
array[1]=20
array[2]=30
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
a
请输入一个数:
40
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据
s
array[1]=20
array[2]=30
array[3]=40
s(show): 显示队列
e(exit): 退出程序
a(add): 添加数据到队列
g(get): 从队列取出数据
h(head): 查看队列头的数据