【Java数据结构与算法】队列

队列

队列介绍

• 对应是一个有序列表，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
• 示意图：（使用数组模拟队列示意图）

数组模拟队列思路

• 队列本身是个有序列表，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图，其中5是该队列的最大容量（只代表我这个图）
• 因为队列的输出，输入都是分别从前后端来处理的，因此需要两个变量（头部）及（尾部）分别记录队列前后端的下标，头部会随着数据的输出而改变，而尾部会随着数据的输入而改变。

代码实现

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args){
        //测试
        //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("请输入一个数据");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    //异常处理机制
                    try{
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        //如果出现异常，则执行getQeueu李
                        // 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("队列头数据是%d\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        //如果出现异常，则执行headQeueu异常
                        // TODO:handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e'://退出
                    //关闭接收
                    scanner.close();
                    //关闭循环
                    loop = false;
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序已退出！");
    }
}
//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;//队列的头部
    private int rear;//队列的尾部
    private int[] arr;//该数组用于存放数据，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是只想队列头的前一个位置
        rear = -1;//指向队列尾，指向队列尾的具体数据（既就是队列的最后一个数据）
    }
    //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;
    }
    //添加数据到数列
    public void addQueue(int n){
        //首先判断队列是否满
        if (isFull()){
            System.out.println("队列已满，不能加入数据！");
            return;
        }
        rear ++;//让【尾部】rear后移
        arr[rear] = n;
    }
    //获取队列的数据，出队列
    public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()){
            //通过抛出异常处理
            throw new RuntimeException("队列为空，不能取数据！");
        }
        front ++;//让【头部】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("队列为空，无数据！");
            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，注意不是取数据
    public int headQueue(){
        //判断是否为空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，无数据！");
        }
        return arr[front + 1];
    }
}

但是，以上写法，这个数组只能用一次，把里面数据都拿出来完了，也不能进行添加数据了，这就需要得把数组模拟成还行数列，出现了不难复用的情况。

问题分析并优化代码

1. 目前数组使用一次就不能用了，没有达到复用的效果
2. 将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列，取模：%

思路如下：

1. 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初始值为0
2. rear变量的含义做一个调整，rear指向队列的最后一个元素的最后一个位置，因为希望空出一个空间作为阅读，rear的初始值为0
3. 当队列满时，条件是（rear + 1）%maxSize = front【满】
4. 当队列空的条件，rear == front【空】
5. 当我这样分析，队列中有效的数据的个数（rear - front + maxSize）%maxSize //若rear = 1 front = 0，则为1
6. 我们就可以在原来的队列上修改得到，一个环形队列

代码实现环形队列

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueue {
    public static void main(String[] args){
        //测试
        System.out.println("测试数组模拟环形队列的案例！");
        //创建一个环形队列，设置为4，但有效数据最多只有3
        CircleArray queue = new CircleArray(4);
        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("请输入一个数据");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    //异常处理机制
                    try{
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        //如果出现异常，则执行getQeueu李
                        // 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("队列头数据是%d\n",res);
                    }catch (Exception e){
                        //如果出现异常，则执行headQeueu异常
                        // TODO:handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e'://退出
                    //关闭接收
                    scanner.close();
                    //关闭循环
                    loop = false;
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序已退出！");
    }
}
class  CircleArray{
    private int maxSize;//表示数组的最大容量
    //队列的头部: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初始值为0
    private int front;
    //队列的尾部:rear变量的含义做一个调整，rear指向队列的最后一个元素的最后一个位置，因为希望空出一个空间作为阅读，rear的初始值为0
    private int rear;
    private int[] arr;//该数组用于存放数据，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;
    }
    //添加数据到数列
    public void addQueue(int n){
        //首先判断队列是否满
        if (isFull()){
            System.out.println("队列已满，不能加入数据！");
            return;
        }
        //直接加入数据就可以
        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(){
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()){
            //通过抛出异常处理
            throw new RuntimeException("队列为空，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对应的值保存到一个临时变量
        //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("队列为空，无数据！");
            return;
        }
        //思路：从front开始遍历，遍历多少个元素就可以
        for (int i = front;i < front + size();i ++){
            System.out.printf("arr[%d] = %d\n",i & maxSize,arr[i % maxSize]);
        }
    }
    //求出当前数列的有效数据的个数
    public int size(){
        return (rear - front +maxSize) % maxSize;
    }
    //显示队列的头数据，注意不是取数据
    public int headQueue(){
        //判断是否为空
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，无数据！");
        }
        return arr[front];
    }
}

编程我也是初学者，难免有理解错误的地方，希望大家看完之后，发现错误可以评论出来，谢谢大家