队列

最新推荐文章于 2024-11-16 18:10:53 发布
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#java #队列

这篇博客介绍了如何使用数组模拟队列，并针对其局限性进行优化，从线性队列转变为环形队列。通过Java代码展示了队列的添加、获取、显示和判断满空等操作，强调了先入先出原则。优化后的环形队列通过取模实现了空间的有效利用，避免了数组的浪费。

队列

1、使用场景

银行排队的案例:
四个窗口处理请求，同一个时间内一个窗口只能处理一个请求，若干人依次排队。
在这里插入图片描述

2、介绍

1)队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。
2)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)示意图：(使用数组模拟队列示意图)
在这里插入图片描述

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
    在这里插入图片描述
  • 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frontrear【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]
  • 代码实现
package com.xu.queue;


import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建队列
        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
        //接收用户输入
        char key = ' ';
        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':
                    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");
    }
}

//使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class ArrayQueue {
    //表示数组的最大容量
    private int maxSize;
    //队列头
    private int front;
    //队列尾
    private int rear;
    //存放数据
    private int[] arr;

    //创建队列的构造器
    public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        //指向队列头部，分析出front是指向队列头的前一个位置.
        front = -1;
        //指向队列尾，指向队列尾的数据(即就是队列最后一个数据)
        rear = -1;
    }

    // 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;
        }
        //rear后移
        rear++;
        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()) {
            //抛出异常
            throw new RuntimeException("队列为空");
        }
        //front后移
        front++;
        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");
            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，注意不是取出数据
    public int headQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空");
        }
        return arr[front + 1];
    }
}
  • 问题分析并优化
    1)目前数组使用一次就不能用，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：%

4、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：
    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)%maxSizefront【满】
    2)rear    front【空】
    3)分析示意图:
    在这里插入图片描述
  • 代码实现
package com.xu.queue;

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建队列
        CircleArray queue = new CircleArray(4);
        //接收用户输入
        char key = ' ';
        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':
                    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");
    }
}

//使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class CircleArray {
    //表示数组的最大容量
    private int maxSize;
    //队列头
    private int front;
    //队列尾
    private int rear;
    //存放数据
    private int[] arr;

    //创建队列的构造器
    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;
        }
        arr[rear] = n;
        //将rear后移，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()) {
            //抛出异常
            throw new RuntimeException("队列为空");
        }
        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");
            return;
        }
        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() {
        return (rear - front + maxSize) % maxSize;
    }

    //显示队列的头数据，注意不是取出数据
    public int headQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空");
        }
        return arr[front];
    }
}
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