Java数据结构与算法——队列

一：队列介绍：
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。

数组模拟队列
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:

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 【队列空】 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】

二：顺序队列：

package com.liuq.queue;
 
import java.util.Scanner;
 
public class ArrayQueueDemo {
 
    public static void main(String[] args) {
        //测试一把
        //创建一个队列
        com.liuq.queue.ArrayQueue queue = new com.liuq.queue.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) : show  queue");
            System.out.println("e(exit) : exit  program");
            System.out.println("a(add)  : add  a  data to queue");
            System.out.println("g(get)  : get a data from queue");
            System.out.println("h(head) : show  header data  from queue ");
            key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("input a  value ");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g': //取出数据
                    try {
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("get a  data  is %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("queue head data is %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("exit ~~");
    }
}
 
 
 
 
class ArrayQueue {
    private int maxSize;
    private int frontDel;
    private int rearAdd;
    private int[] arr;
 
    public  ArrayQueue(int maxSize){
        this.maxSize=maxSize;
        frontDel=-1;
        rearAdd=-1;
        arr=new int[maxSize];
    }
 
    public boolean isFull(){
        return rearAdd==maxSize-1;
    }
 
    public boolean isEmpty(){
        return rearAdd==frontDel;
    }
 
    public   void addQueue(int value){
        if(isFull()){
            System.out.println("queue  is  full ");
            return;
        }
        rearAdd++;
        arr[rearAdd]=value;
    }
 
    public int getQueue(){
        if(isEmpty()){
 
            throw new RuntimeException(" queue  is  empty ，can not get data");
        }
        frontDel++;
        int value=arr[frontDel];
        arr[frontDel]=0;
        return value;
    }
 
    public  void showQueue(){
        if(isEmpty()){
            System.out.println("queue is empty  ");
        }
        for(int i = 0; i < arr.length; i++) {
             System.out.println("arr["+i+"]"+":"+arr[i]);
 
        }
    }
 
    public  int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException(" queue  is  empty ，can not get data");
        }
 
        return arr[frontDel+1];
    }
 
 
}
 
 

三：循环队列：
对于顺序队列存在的问题，使用循环队列进行解决
数组模拟环形队列
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)
分析说明：
尾索引的下一个为头索引时表示队列满，即将队 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 【满队列】；
rear == front 【空队列】

package com.atguigu.queue;
 
import java.util.Scanner;
 
public class CircleArrayQueueDemo {
 
	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
		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约定.
	//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  因为rear初始值为0 而循环列表初始值为-1
		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() {
		System.out.println("front:" +front);
		// 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
		System.out.println("rear:" +rear);
		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;
	}
	
	// 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];
	}
}