Java数据结构与算法（二）：队列

逃离我推掉我的手 2022-12-07 15:29 171阅读 0赞

## 队列 ##

### 1. 介绍 ###

*  队列是一个有序列表，可以用数组或者链表来实现；
 *  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）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hvdXdhbmxl_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

### 2. 数组模拟队列思路 ###

*  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，则队列的声明如上示意图，其中maxSize是该队的最大容量；
 *  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则是随着数据的输入而改变。
 *  当我们将数据存入队列时成为”addQueue"，addQueue 的处理需要有两个步骤：
    
     *  将尾指针往后移：rear + 1，当front==rear时，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。

**代码实现：**

package com.lele.queue;
    
    import java.util.Scanner;
    
    /**
     * author: hwl
     * date: 2020/9/15 21:31
     * version: 1.0.0
     * modified by:
     * description: 采用数组模拟队列
     */
    public class ArrayQueueDemo {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
            // 创建一个队列
            ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
            char key = ' '; // 接受用户的输入
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            boolean loop = true;
    
            // 输出一个菜单
            while(loop) {
        
                System.out.println("a(add):添加数据到队列");
                System.out.println("g(get):从队列中取出数据");
                System.out.println("s(show):显示队列中的数据");
                System.out.println("h(head):查看队头的数据");
                System.out.println("e(exit):退出程序");
                key = scanner.next().charAt(0); // 接受一个字符
                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': // 取出数据
                        try {
        
                            int res = queue.getQueue();
                            System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                        } catch (Exception e) {
        
                            System.out.println(e.getMessage());
                        }
                        break;
                    case'h': // 查看队头数据
                        try {
        
                            int res = queue.headQueue();
                            System.out.printf("队头数据为%d\n", res);
                        } catch (Exception e) {
        
                            System.out.println(e.getMessage());
                        }
                        break;
                    case'e': //退出
                        scanner.close();
                        loop = false;
                        break;
                    default:
                        break;
                }
            }
    
        }
    
    }
    
    class ArrayQueue {
        
        private int maxSize;  // 队列最大长度
        private int front;   // 头部指针
        private int rear;  // 尾部指针
        private int[] arr; // 数组用来存放数据，模拟队列
    
        // 创建队列构造器
        public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        
            maxSize = arrMaxSize;
            arr = new int[maxSize];
            front = -1; // 队列头部指针，指向队列头部元素的前一个位置
            rear = -1;  // 队列尾部指针，指向队列尾部的最后一个元素
        }
    
        // 判断队列是否满了
        public boolean isFull() {
        
            return rear == maxSize - 1;
        }
    
        // 判断队列是否为空
        public boolean isEmpty() {
        
            return front == rear;
        }
    
        // 添加数据到队列，入队
        public void addQueue(int n) {
        
            if(isFull()) {
        
                System.out.println("队列已满，不能加入数据。");
                return;
            }
            rear++;  // 尾部指针后移
            arr[rear] = n;
        }
    
        // 获取队列的数据，出队
        public int getQueue() {
        
            if (isEmpty()) {
        
                throw new RuntimeException("队列为空，不能取数据。");
            }
            front++;  // 头部指针后移
            return arr[front];
        }
    
        // 显示队列所有数据
        public void showQueue() {
        
            if (isEmpty()) {
        
                System.out.println("队列为空，不能取数据");
                return;
            }
            for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        
                System.out.printf("a[%d]=[%d]\n", i, arr[i]);
            }
        }
    
        // 显示队列的头部数据，注意此处不是取出数据
        public int headQueue() {
        
            if (isEmpty()) {
        
                throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
            }
            return arr[front+1];
        }
    }

### 3. 数组模拟环形队列 ###

由于第二步中的数组使用一次就不能用了，不能达到复用的效果，于是将这个数组改进成一个环形队列（取模：%）  
**分析如下：**

1.  front 变量含义做了调整：front 指向队列第一个元素，即 arr\[front\] 表示队列的第一个元素，front 的初始值等于0；
2.  rear变量含义做了调整：rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置，目的是为了空出一个位置留作约定，rear 的初始值等于0；
3.  当队列满时，条件是 (rear + 1) % maxSize = front ；
4.  队列为空的判断条件为： rear == front；
5.  队列中的有效数据的个数为： (rear + maxSize, front) % maxSize；

**代码实现**

package com.lele.queue;
    
    import javafx.scene.shape.Circle;
    
    import java.util.Scanner;
    
    /**
     * author: hwl
     * date: 2020/9/17 20:17
     * version: 1.0.0
     * modified by:
     * description: 数组模拟环形队列
     */
    public class CircleArrayQueueDemo {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
            System.out.println("测试数组模拟环形队列的案例~~");
    
            // 创建一个环形队列
            CircleArray queue = new CircleArray(4); // 说明设置4，其队列的有效数据最大是3
            char key = ' '; // 接受用户输入
            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); // 接受一个字符
                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': // 取出数据
                        try {
        
                            int res = queue.getQueue();
                            System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                        } catch (Exception e) {
        
                            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) {
        
                            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;  // 数组最大容量
        private int front;   // front 变量含义做了调整：front 指向队列第一个元素，即 arr[front] 表示队列的第一个元素，front 的初始值等于0；
        private int rear;  // rear变量含义做了调整：rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置，目的是为了空出一个位置留作约定，rear 的初始值等于0；
        private int[] arr; // 数组用来存放数据，模拟队列
    
        // 创建队列构造器
        public CircleArray(int arrMaxSize) {
        
            maxSize = arrMaxSize;
            arr = new int[maxSize];
        }
    
        // 判断队列是否满了
        public boolean isFull() {
        
            return (rear+1) % maxSize == front;
        }
    
        // 判断队列是否为空
        public boolean isEmpty() {
        
            return front == rear;
        }
    
        // 添加数据到队列，入队
        public void addQueue(int n) {
        
            if(isFull()) {
        
                System.out.println("队列已满，不能加入数据。");
                return;
            }
            arr[rear] = n;  //直接将数据加入队列
            rear = (rear+1) % maxSize;  // 将rear后移，这里必须考虑取模
        }
    
        // 获取队列的数据，出队
        public int getQueue() {
        
            if (isEmpty()) {
        
                throw new RuntimeException("队列为空，不能取数据。");
            }
            // 先把front对应的值保留到一个临时变量
            // 将 front 后移，考虑取模
            // 将临时保存的变量返回
            int value = arr[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，不能取数据");
                return;
            }
            for (int i = 0; i < front + size(); i++) {
        
                System.out.printf("a[%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;
        }
    
        // 显示队列的头部数据，注意此处不是取出数据
        public int headQueue() {
        
            if (isEmpty()) {
        
                throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
            }
            return arr[front];
        }
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2hvdXdhbmxl_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/9e37af8467df4e47a39b77a3f7b83377.png