文章目录

一：队列
- 1.1 队列的概念
- 1.2 队列的介绍
- 1.3 队列示意图
二：数组模拟队列
- 2.1 介绍
- 2.2 思路
- 2.3 代码实现
- - 2.3.1 定义队列基本信息
  - 2.3.2 初始化队列
  - 2.3.3 判断队列是否满，是否为空
  - 2.3.4 添加数据到队列
  - 2.3.5 获取队列数据，出队列
  - 2.3.6 显示队列所有数据
  - 2.3.7 显示队列头数据
  - 2.3.8 源码奉上
- 2.4 测试ArrayQueue
- 2.5 问题分析并优化
三：数组模拟环形队列
- 3.1 分析
- 3.2 思路
- 3.3 代码实现

一：队列

1.1 队列的概念

队列：只允许在一端进行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作的特殊线性表，队列具有先进先出的特点。
入队列：进行插入操作的一端称为队尾。
出队列：进行删除操作的一端称为队头。

例如：比如生活中排队买东西，先排队的先购买

1.2 队列的介绍

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。后存入的要后取出

1.3 队列示意图

在这里插入图片描述

二：数组模拟队列

2.1 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:

2.2 思路

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 【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]

注：
rear 是队列最后[含]
front 是队列最前元素[不含]

2.3 代码实现

2.3.1 定义队列基本信息

 /**
     * 最大容量
     */
    private int maxSize;

    /**
     * 队列头
     */
    private int front;

    /**
     * 队列尾
     */
    private int rear;

    /**
     * 该数组用于存放数据
     */
    private int[] arr;

2.3.2 初始化队列

/**
     * 初始化队列构造器
     *
     * @param arrMaxSize
     */
    public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[arrMaxSize];
        //指向队列头部的前一个位置，不包含头部
        front = -1;
        //指向队列尾部具体数据
        rear = -1;
    }

2.3.3 判断队列是否满，是否为空


    /**
     * 判断队列是否满
     *
     * @return
     */
    public boolean isFull() {
        return rear == maxSize - 1;
    }

    /**
     * 判断队列是否为空
     *
     * @return
     */
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

2.3.4 添加数据到队列

public void addQueue(int n) {
        //判断队列是否满，满了就无法添加数据
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满了，无法添加数据");
            return;
        }
        //添加数据让rear后移
        rear++;
        arr[rear] = n;
    }

2.3.5 获取队列数据，出队列

  /**
     * 获取队列数据，出队列
     *
     * @return
     */
    public int getQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
        }
        front++;
        return arr[front];

    }

2.3.6 显示队列所有数据

   /**
     * 显示队列所有数据
     */
    public void showQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空，没有数据");
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);

        }
    }

2.3.7 显示队列头数据

 /**
     * 显示队列头数据
     *
     * @return
     */
    public int headQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
        }
        return arr[front + 1];
    }

2.3.8 源码奉上


/**
 * 队列头部输出数据，尾部输入数据
 */
class ArrayQueue {
    /**
     * 最大容量
     */
    private int maxSize;

    /**
     * 队列头
     */
    private int front;

    /**
     * 队列尾
     */
    private int rear;

    /**
     * 该数组用于存放数据
     */
    private int[] arr;

    /**
     * 初始化队列构造器
     *
     * @param arrMaxSize
     */
    public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[arrMaxSize];
        //指向队列头部的前一个位置，不包含头部
        front = -1;
        //指向队列尾部具体数据
        rear = -1;
    }

    /**
     * 判断队列是否满
     *
     * @return
     */
    public boolean isFull() {
        return rear == maxSize - 1;
    }

    /**
     * 判断队列是否为空
     *
     * @return
     */
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    /**
     * 添加数据到队列
     */
    public void addQueue(int n) {
        //判断队列是否满，满了就无法添加数据
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满了，无法添加数据");
            return;
        }
        //添加数据让rear后移
        rear++;
        arr[rear] = n;
    }

    /**
     * 获取队列数据，出队列
     *
     * @return
     */
    public int getQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
        }
        front++;
        return arr[front];

    }

    /**
     * 显示队列所有数据
     */
    public void showQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空，没有数据");
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);

        }
    }

    /**
     * 显示队列头数据
     *
     * @return
     */
    public int headQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
        }
        return arr[front + 1];
    }


}

2.4 测试ArrayQueue

public class ArrayQueueDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
        //接收用户输入
        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):添加数据队列");
            System.out.println("g(get):取出数据队列");
            System.out.println("h(head):查看头队列数据");
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输入一个数字");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据为%d\n",res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头数据为%d\n",res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");


    }


}

2.5 问题分析并优化

问题：目前数组使用一次就无法使用，没有达到复用的效果
优化：将数组改成环形队列，进行取模

三：数组模拟环形队列

3.1 分析

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)

3.2 思路

front的含义做出如下调整：front就指向队列的第一个元素，即arr[front]就是队列的第一个元素。
rear的含义做出如下调整：rear指向队列最后一个元素的后一个位置。空出一个空间做约定。
队列满的条件：（rear+1）%maxSize = front;
队列空的条件：rear == front;
front和rear的初始值都为0；
队列中有效数据个数：（rear + maxSize - front）% maxSize;

3.3 代码实现

package com.sysg.dataStructuresAndAlgorithms.queue;

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //长度为4，有效长度为3，有一个预留的空间
        CircleArrayQueue queue = new CircleArrayQueue(4);
        //接收用户输入
        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):添加数据队列");
            System.out.println("g(get):取出数据队列");
            System.out.println("h(head):查看头队列数据");
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输入一个数字");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据为%d\n",res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头数据为%d\n",res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }
}

class CircleArrayQueue {
    /**
     * 最大容量
     */
    private int maxSize;

    /**
     * 队列头
     * 1. front的含义做出如下调整：front就指向队列的第一个元素，即arr[front]就是队列的第一个元素。
     */
    private int front;

    /**
     * 队列尾
     * 2. rear的含义做出如下调整：rear指向队列最后一个元素的后一个位置。空出一个空间做约定。
     */
    private int rear;

    /**
     * 该数组用于存放数据
     */
    private int[] arr;

    /**
     * 初始化队列构造器
     *
     * @param arrMaxSize
     */
    public CircleArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[arrMaxSize];
        front = 0;
        rear = 0;
    }


    /**
     * 判断队列是否满
     *
     * @return
     */
    public boolean isFull() {
        //例：front = 1,rear = 5,maxSize = 5,此时队列就满了
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }


    /**
     * 判断队列是否为空
     *
     * @return
     */
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }


    /**
     * 添加数据到队列
     */
    public void addQueue(int n) {
        //判断队列是否满，满了就无法添加数据
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满了，无法添加数据");
            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;
    }


    /**
     * 获取队列数据，出队列
     *
     * @return
     */
    public int getQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
        }
        //这里需要分析出front是指向队列的第一个元素
        //1.先把front的值保存到一个临时的变量
        //2.将front后移,考虑取模
        //3.将临时变量保存
        int value = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;
    }


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

    /**
     * 获取有效数据大小
     * @return
     */
    public int getSize() {
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }


    /**
     * 显示队列头数据
     *
     * @return
     */
    public int headQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
        }
        return arr[front];
    }

}