本文深入探讨了队列数据结构的原理与应用，包括队列的基本概念、数组模拟队列的实现方式及其优化过程，详细讲解了如何使用数组和环形队列来高效管理数据，适合初学者和开发者深入了解数据结构的基础知识。
队列简介：
队列是一种有序列表，可以用数组或链表来实现。遵循先入先出的原则，即:先存入队列的数据，要先取出，后存入队列的数据的要后取出。在队列中，允许插入数据的一端叫做队尾（rear），允许取出数据的一端则称为队头（front）。使用数组模拟队列示意图如下：
数组模拟队列的思路：
- 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，则队列数组的声明如上图，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，如上图所示。
数组模拟队列代码实现：
package com.atguigu.queue;
import java.util.Scanner;
public class ArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
//创建一个队列
ArrayQueue queue=new ArrayQueue(3);
char key=' '; //用于接收用户输入
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':
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':
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':
scanner.close();
loop=false;
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出");
}
}
class ArrayQueue{
private int maxSize; //maxSize代表数组的最大容量
private int front; //队列头
private int rear; //队列尾
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 maxSize) {
this.maxSize=maxSize;
arr=new int[maxSize];
front=-1; //指向队列的头部，front是指向队列头的前一个位置
rear=-1; //指向队列的尾部，rear是指向队列尾的最后一个数据
}
//判断队列是否为满
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,入队列
public void addQueue(int n) {
//判断队列是否为满
if(isFull()) {
System.out.println("队列满，不能加入数据");
return;
}
rear++; //让rear后移
arr[rear]=n;
}
//获取队列数据，出队列
public int getQueue() {
//判断队列是否为空
if(isEmpty()) {
//通过抛出异常
throw new RuntimeException("队列空，不能获取数据");
}
front++; //front后移
return arr[front];
}
//显示队列的所有数据
public void showQueue() {
//遍历数组
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]);
}
}
//显示队列的头数据，注意此处并非取数据
public int headQueue() {
//判断是否为空
if(isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空，没有数据");
}
return arr[front+1];
}
}运行结果：
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
输出一个数
10
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
输出一个数
20
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
输出一个数
30
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
s
arr[0]=10
arr[1]=20
arr[2]=30
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
g
取出的数据是10
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
h
队列头的数据是20
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据问题分析并优化
上述利用数组模拟队列时不能使数组循环使用，无法达到复用的效果，所以我们需要对其进行优化，改进成一个环形队列。
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：1)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] ；2) rear == front [空] ；3)分析示意图如下：
数组模拟环形队列代码实现：
package com.atguigu.queue;
import java.util.Scanner;
public class CircleArrayQueue {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
//测试
System.out.println();
// 创建一个环形队列
//说明：创建大小为4的数组，队列的有效数据最大是3个
CircleArray queue= new CircleArray(4);
char key = ' '; // 用于接收用户的输入
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean loop = true;
// 输出一个菜单
while (loop) {
System.out.println("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("请输入一个数:");
int value = scanner.nextInt();
queue.addQueue(value);
break;
case 'g':
// 取出数据可能会有异常，所以用try-catch捕获异常
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,同样需要捕获异常
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':
scanner.close();
loop = false;
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出!!!");
}
}
//编写一个CircleArray环形队列
class CircleArray{
private int maxSize; //表示数组的最大值
private int front; //队列头
private int rear; //队列尾
private int[] arr; //用于存放数据的数组，模拟队列
//创建队列的构造器
public CircleArray(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
//初始化
arr = new int[maxSize];
front = 0; //对变量含义进行调整，就指向队列的第一个元素
rear = 0; //对变量含义进行调整，指向队列最后一个元素的后一个位置 (用于最后空出一个位置)
}
//判断队列是否已满
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 a) {
//先判断队列是否已满
if(isFull()) {
System.out.println("队列已满，不能加入数据~");
return;
}
//因为rear本身代表最后一个元素的后一个位置，所以直接赋值
arr[rear] = a;
//赋值后，将rear后移,如果存放满，则rear回到第一个元素
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
//获取队列的数据(出队列)
public int getQueue() {
//先判断队列是否为空
if(isEmpty()) {
//通过抛出异常处理
throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据");
}
//需要分析front是指向队列的第一个元素，所以要先进行保存
//1.先把front对应的值保存到一个临时变量
//2.将front后移
//3.将保存的临时变量对应的值返回
int value = front;
front = (front + 1) % maxSize;
return arr[value];
}
//显示队列的所有数据
public void showQueue() {
//遍历
if(isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！！！！");
return;
}
//思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
for(int i = front; i < front + size(); i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n",(i % maxSize),arr[i % maxSize]);
}
}
//求出当前队列的有效数据的个数
public int size() {
return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}
//显示队列的头数据
public int headQueue() {
if(isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据");
}
return arr[front];
}
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