Java队列-queue

1. 使用场景

银行排队的案例:

2. 基本介绍

• 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。

3. 数组模拟队列

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 和 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

1) 将尾指针往后移：rear+1 , 当 front == rear 【空】

2) 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]

不足

• 数组只能使用一次，当队列中的数据取出后，并不能复用之前用过的空间。
• 优化参考环形队列

实现

• 添加元素，改变队尾指针 rear 的值；
• 移出元素，改变队头指针 front 的值；
• 其他操作不改变队头队尾的值，只在值基础上运算(取出队头为：front + 1)

数组队列

package com.zsy.datastructure.queue;

/**
 * 使用数组模拟队列
 *
 * @author zhangshuaiyin
 */
public class ArrayQueue {

    /**
     * 队列最大空间
     */
    private int maxSize;
    /**
     * front: 指向队列头的前一个位置，用于标识队列头
     * rear：指向队列尾部
     */
    private int front;
    private int rear;
    private int[] array;

    public ArrayQueue(int arrayMaxSize) {
        maxSize = arrayMaxSize;
        array = new int[maxSize];
        front = -1;
        rear = -1;
    }

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

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

    /**
     * 向队列添加元素
     *
     * @param item 元素
     */
    public void add(int item) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列已满，不能添加元素~~");
            return;
        }
        // rear 后移，新增一个存储空间
        rear++;
        array[rear] = item;
    }

    /**
     * 出队
     *
     * @return 头部数据
     */
    public int remove() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空不能取出数据!!");
        }
        return array[++front];
    }

    /**
     * 打印队列中的元素
     */
    public void show() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("The queue is empty.");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, array[i]);
        }
    }
    
    /**
     * 打印队列头部元素
     */
    public void head() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("The queue is empty.");
            return;
        }
        System.out.println("head: " + array[front + 1]);
    }
}

测试

package com.zsy.datastructure.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @author zhangshuaiyin
 */
public class ArrayQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);

        // 接收输入字符
        char key;
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop) {
            System.out.println("****************");
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            System.out.println("a(add): 添加数据");
            System.out.println("g(get): 取出数据");
            System.out.println("h(head): 头部数据");
            System.out.println("按其他任意键退出...");
            System.out.println("****************");
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.show();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入要添加队列的数字：");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.add(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        System.out.println("取出的数据：" + queue.remove());
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    queue.head();
                    break;
                default:
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    System.out.println("程序退出~~");
                    break;
            }
        }
    }
}

4. 数组循环队列

参考《大话数据结构》

思路分析

• front：指向队列的第一个元素，初始值为0；
• rear：指向队列最后一个元素的下一个位置，且该位置为保留位，不会被数据占用；
• 当队列满时，rear 应该指向 front 的前一个位置，即  (rear + 1) % maxSize == front（）；

• 当队列为空时，front == rear，即出队时 front 后移，当移动到保留位置，表示队列空；
• 队列中的元素个数：(rear - front + maxSize) % maxSize

• • 当rear > front，长度为：rear - front

• • 当 rear < front，长度为：(0 + rear) + (maxSize - front) = rear - front + maxSize

代码实现：

循环队列

package com.zsy.datastructure.queue;

/**
 * 数组实现循环队列
 *
 * @author zhangshuaiyin
 */
public class CircleArrayQueue {
    /**
     * 数组最大长度，因为rear预留位，队列长度会少一位
     */
    private int maxSize;
    /**
     * front: 指向队列头一个元素
     */
    private int front;
    /**
     * rear: 指向队列最后一个元素的下一个位置
     * rear指向的位置为保留位，不会被元素占用
     */
    private int rear;
    private int[] array;

    public CircleArrayQueue(int arrayMaxSize) {
        this.maxSize = arrayMaxSize;
        array = new int[maxSize];
        this.front = this.rear = 0;
    }

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

    /**
     * @return 判断队列是否已满
     */
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    /**
     * 向队列添加元素
     *
     * @param item 元素
     */
    public void add(int item) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列已满，不能添加元素~~");
            return;
        }
        array[rear] = item;
        // rear 后移，当移动到最后一个位置时，从 0 重新计数
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    /**
     * 出队
     *
     * @return 头部数据
     */
    public int remove() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空不能取出数据!!");
        }
        // 取出数据为：array[front], 取出后 front 后移，当移动到最后一个位置时，从 0 重新计数
        int value = array[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    /**
     * 打印队列中的元素,从front开始到最后一个元素
     */
    public void show() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("The queue is empty.");
            return;
        }
        for (int i = front; i < front + size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, array[i % maxSize]);
        }
    }

    /**
     * 打印队列头部元素
     */
    public void head() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("The queue is empty.");
            return;
        }
        System.out.println("head: " + array[front]);
    }

    /**
     * @return 获取队列数据个数
     */
    public int size() {
        return (rear - front + maxSize) % maxSize;
    }
}

测试

package com.zsy.datastructure.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @author zhangshuaiyin
 */
public class CircleArrayQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        CircleArrayQueue queue = new CircleArrayQueue(3);

        // 接收输入字符
        char key;
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop) {
            System.out.println("****************");
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            System.out.println("a(add): 添加数据");
            System.out.println("g(get): 取出数据");
            System.out.println("h(head): 头部数据");
            System.out.println("按其他任意键退出...");
            System.out.println("****************");
            key = scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.show();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入要添加队列的数字：");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.add(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        System.out.println("取出的数据：" + queue.remove());
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    queue.head();
                    break;
                default:
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    System.out.println("程序退出~~");
                    break;
            }
        }
    }
}

青山不改，绿水常流！谢谢大家