一、现实场景

  • 银行排队业务，先办完业务的先走，后来办业务的在后排队
  • 食堂打饭，先打完饭的先走，后来食堂的在后排队

二、队列Queue

2.1 队列特点

  1. 队列是一个有序列表，可以用数组或者是链表来实现
  2. 遵循<font color="red">先进先出</font>的原则。即：先存入队列的数据，要先取出；后存入的数据，后取出

2.2 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上图，其中maxSize是该队列的最大容量。

  2. 因为队列的输出、输入是分别从前端和后端来处理，因此需要两个变量front和rear分别记录队列前后端的下标，front会随着数据的输出而改变，而rear则随着数据的输入而改变。

    1. front初始化为-1，指向队列第一个元素的<font color="red">前一个位置</font>。
    2. rear初始化为-1，指向队列<font color="red">最后一个元素</font>的位置。（初始化不唯一，此处这样初始化）
  3. front = rear时，队列为空。
  4. rear = maxSize - 1时，队列满，无法加入元素。

  5. 将数据存入队列时方法为addQueue，处理步骤如下：

    1. 判断队列是否为满
    2. 若不满，将为指针往后移：rear = rear + 1，将数据存入rear所指的下标中。

2.3 代码实现

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //测试一把
        //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("输出一个数");
                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) {
                    // 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': //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];
        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
    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];

    }

    // 显示所有数据
    // 这里也有缺陷，只是单纯的输出了数组中的所有元素，而不是队列
    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];//front + 1 不等于 front++ ，前者为运算，后者为复制
        //front++ 等价于 front = front + 1
    }
}

2.4 缺陷所在以及优化思路

  • 目前数组使用一次就不能用，没有达到复用的效果

  • 将这个数组使用算法，改进成<font color="red">环形的队列</font>。（取模 %）

三、数组模拟环形队列

  • 对前面的数组模拟队列进行优化，充分利用数组，因此将数组看做是一个环形的

3.1 思路分析

  1. front指向队列的<font color="red">第一个元素</font>的位置

    • 初始值为0

  2. rear指向队列最后一个元素的<font color="red">后一个位置</font>

    • 初始值为0
  3. 将数组的最后一个位置作为<font color="red">指针传送门</font>的位置

  4. 尾索引rear的下一个为头索引front时，表示队列满

    • 队列满的条件：(rear + 1) % maxSize == front

  5. 头尾索引相同时，表示队列空

    • 队列空的条件：rear == front
  6. 队列中的有效的数据个数为(rear + maxSize -front) % maxSize

04

3.2 代码实现

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        
        //测试一把
        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("输出一个数");
                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) {
                    // 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': // 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指针传送门
    //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;//+maxSize，保证rear在front前边时，计算的结果为正   
    }
    
    // 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];
    }
}
Last modification：November 26th, 2019 at 03:47 pm
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