队列数据结构解析-优快云博客

一、介绍

队列是一种先进先出的有序数据结构，可以用数组或者链表来实现。
总的来说，数组模拟队列有两种情况

简单队列。当添加到最后一个位置的时候，队列就不能使用了
环形队列。当数组添加到最后一个位置的时候，如果前面因为取出元素有了空的位置，可以重复利用空出的位置。

我们可以通过很多方式来实现队列，比较常见的有数组和链表来实现

二、数组实现简单队列

（一）思路分析

使用数组来模拟队列也就是说把数据存放在数组中，实现思路如下：

定义的数据结构如下：
```
public class ArrayQueue {
  private int capacity;
  private Object[] data;
  private int putIndex;
  private int takeIndex;
```
各个字段的含义如下：
capacity：可以存放的元素的个数，也就是数组的长度
data：用来存放元素的数组
putIndex：下一个可以放入元素的下标；
takeIndex：下一个能获取到元素的下标；
初始的时候putIndex和takeIndex都为0，表示没有任何元素，结构如下：
加入元素之后，按照我们1里面putIndex的含义，下一个可以放入的元素下标应该+1，比如，当我们加入一个元素后，那么下一个可以放入的元素下标就是1了，当加入三个元素后，效果如下（红色背景表示已经存放了元素）：
当取出元素的时候，会从头部取，这个时候，takeIndex下标后移，效果如下：
当putIndex到5的后面（就是最大容量capicity）的时候，表明已经满了，不能再添加元素
当takeIndex和putIndex相等的时候，表明队列已经空了，不能再取元素

（二）代码实现

package com.firewolf.javabase.s002_queue;

/**
 * 不可复用的队列----使用数组实现。一旦添加满了，即便取走了前面的元素，也不能再添加元素
 */
public class ArrayQueue {

  /**
   * 默认容量为10
   */
  private static final Integer DEFAULT_CAPICITY = 10;
  /**
   * 队列容量
   */
  private int capacity;

  /**
   * 存放数据的容器
   */
  private Object[] data;

  /**
   * index for next put
   */
  private int putIndex;

  /**
   * index for next put
   */
  private int takeIndex;

  public ArrayQueue(int capacity) {
    this.capacity = capacity;
    data = new Object[this.capacity];
  }

  public ArrayQueue() {
    this(DEFAULT_CAPICITY);
  }

  /**
   * 添加元素到队列尾部
   *
   * @param el 要加入的元素
   * @return 添加成功返回true, 否则返回false
   */
  public boolean addElement(Object el) {
    if (isFull()) {
      System.out.println("队列已经满了");
      return false;
    }
    data[putIndex++] = el;
    return true;
  }

  /**
   * 获取头部元素
   */
  public Object getElement() {
    if (isEmpty()) {
      System.out.println("没有可以获取的元素了");
      return null;
    }
    return data[takeIndex++];
  }


  /**
   * 显示所有的队列元素
   */
  public void showElements() {
    for (int i = takeIndex; i < putIndex; i++) {
      System.out.println(data[i]);
    }
  }


  /**
   * 获取元素个数
   */
  public int size() {
    return putIndex - takeIndex;
  }


  /**
   * 是否满了
   */
  public boolean isFull() {
    return putIndex == capacity;
  }

  /**
   * 是否为空
   */
  public boolean isEmpty() {
    return takeIndex == putIndex;
  }
}

三、数组实现环形队列

环形队列要求能够对前面已经移除的元素位置进行复用，也就是说当出现如下情况的时候，并不能认为数组满了，从而能够继续添加元素。
在这里插入图片描述
如果是在简单队列里面，上面这种情况是队列已经满了，因为putIndex==capacity了，而实际上我们看的到0，1，2三个位置已经空出来了，我们可以循环利用，也就是说，下一个可以放元素的位置变成0就可以了，也就是说，应该形成如下结构：
在这里插入图片描述

（一）思路分析

构建如下数据结构
```
public class CyclicArrayQueue {
  private int capacity;
  private Object[] data;
  private int count;
  private int putIndex;
  private int takeIndex;
```
可以看到，相对于简单队列，多了一个count，各自含义如下：
capacity：可以存放的元素的个数，也就是数组的长度
data：用来存放元素的数组
putIndex：下一个可以放入元素的下标；
takeIndex：下一个能获取到元素的下标；
count：队列中元素个数，方便能够判断队列空满情况，其实不要也是可以的，不过使用这个更加方便。
开始的时候，putIndex=takeIndex=0，count=0，此时没有任何元素，队列为空。
加入元素的时候，count加1，putIndex增加，如果putIndex==capacity了，证明到了数组的最后一个元素，那么下一个能存放数据的位置为0，总结为：putIndex = (putIndex+1)%capacity。
获取元素的时候，count减1，同时takeIndex增加，同样的，如果到了takeIndex==capacity，那么也要回到队列的头部。总结为：takeIndex = (takeIndex+1)%capacity。
count==0的时候，表示队列为空，此时不能获取元素。
count==capacity的时候，表示队列满了，不能加入元素。

（二）代码实现

package com.firewolf.javabase.s002_queue;

/**
 * 可以循环复用的队列----数组实现
 */
public class CyclicArrayQueue {

  /**
   * 默认容量为10
   */
  private static final Integer DEFAULT_CAPICITY = 10;
  /**
   * 队列容量
   */
  private int capacity;

  /**
   * 存放数据的容器
   */
  private Object[] data;

  /**
   * 已经存放的元素个数
   */
  private int count;

  /**
   * index for next put
   */
  private int putIndex;

  /**
   * index for next take
   */
  private int takeIndex;

  public CyclicArrayQueue(int capacity) {
    this.capacity = capacity;
    data = new Object[this.capacity];
  }

  public CyclicArrayQueue() {
    this(DEFAULT_CAPICITY);
  }

  /**
   * 添加元素到队列尾部
   *
   * @param el 要加入的元素
   * @return 添加成功返回true, 否则返回false
   */
  public boolean addElement(Object el) {
    if (isFull()) {
      System.out.println("队列已经满了");
      return false;
    }
    count++; //元素数量+1
    data[putIndex] = el; //放入元素
    putIndex = (putIndex + 1) % capacity; //更新索引
    return true;
  }

  /**
   * 获取头部元素
   */
  public Object getElement() {
    if (isEmpty()) {
      System.out.println("没有可以获取的元素了");
      return null;
    }
    Object value = data[takeIndex]; //获取到元素
    count--;//更新元素数量
    takeIndex = (takeIndex + 1) % capacity;//更新索引
    return value;
  }


  /**
   * 显示所有的队列元素
   */
  public void showElements() {
    if (isEmpty()) {
      System.out.println("没有元素");
      return;
    }
    for (int i = takeIndex; i < takeIndex + count; i++) {
      System.out.println(data[i % capacity]);
    }
  }


  /**
   * 获取元素个数
   */
  public int size() {
    return count;
  }


  /**
   * 是否满了
   */
  public boolean isFull() {
    return count == capacity;
  }

  /**
   * 是否为空
   */
  public boolean isEmpty() {
    return count == 0;
  }
}